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Projecto de uma Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial Orientado para os Sistemas de Conversão de Energia Eólica Ângela Paula Barbosa da Silva Ferreira Dissertação submetida à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Dissertação de doutoramento realizado sob a orientação do Prof. Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa Professor Auxiliar do DEEC-FEUP FEUP, Setembro de 2011
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Projecto de uma Máquina de Ímanes
Permanentes de Fluxo Axial Orientado para os
Sistemas de Conversão de Energia Eólica
Ângela Paula Barbosa da Silva Ferreira
Dissertação submetida à Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto para obtenção do
grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Dissertação de doutoramento realizado sob a orientação do
Prof. Doutor Artur Manuel de Figueiredo Fernandes e Costa
Professor Auxiliar do DEEC-FEUP
FEUP, Setembro de 2011
RESUMO
A elevada eficiência volumétrica dos materiais magnéticos permanentes de terras raras,
disponíveis, actualmente, a custos acessíveis, possibilita a exploração de novas configurações
de máquinas eléctricas e a concretização de factores de escala impraticáveis nos sistemas de
excitação, classicamente obtidos através de densidades de correntes, favorecendo a redução
das dimensões e, ainda, o rendimento daquelas.
No contexto tecnológico actual de produtos eléctricos integrados, as máquinas de ímanes
permanentes de fluxo axial apresentam um potencial considerável nas aplicações de baixas
velocidades, atendendo às geometrias praticáveis e à superior densidade de binário que as
caracteriza. Da análise comparativa da configuração axial com a sua homóloga radial,
demonstra-se que a máquina de ímanes permanentes de fluxo axial apresenta uma densidade
de binário superior em projectos que utilizem mais de quatro pares de pólos.
A geometria particular da configuração da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial
introduz variáveis que impõem modificações nos processos clássicos de projecto e construção
das máquinas eléctricas. Neste trabalho, desenvolve-se uma rotina de projecto da máquina de
ímanes permanentes de fluxo axial, com ênfase na configuração de duplo entreferro, rotor
interno. A rotina desenvolvida incorpora as interacções electromagnéticas e térmicas, sendo
baseada em ferramentas analíticas e de simulação com recurso ao Método dos Elementos
Finitos.
Foi ainda projectado e construído um protótipo, cujas decisões de projecto foram orientadas
para os micro e mini sistemas de conversão de energia eólica. A implementação prática e a
sua experimentação laboratorial permitiram validar a exequibilidade do processo construtivo e
corroborar as variáveis iniciais definidas no anteprojecto.
ABSTRACT
The superior efficiency of rare earth permanent magnet materials, available nowadays at
affordable costs, allows the exploitation of new configurations of electrical machines and the
implementation of scale factors not allowed with conventional excitation systems. Permanent
magnet excitation allows a significant decrease of the pole pitch and an increase in efficiency.
In the technological trend of integrated drive solutions, permanent magnet axial flux machines
have increased scope in low speed applications, due to their feasible geometries and higher
torque density. A comparative study of axial flux permanent magnet machines and their radial
counterparts, shows that the axial flux configuration has a higher torque density in projects
using more than four pole pairs.
The axial flux configuration introduces specific variables to electrical machinery design and
manufacturing, which require modification of classical formulae. This work presents a routine
design of an axial flux permanent magnet machine intended for wind energy systems
applications. Emphasis has been placed on the design of dual airgap, internal rotor
configuration. The design incorporates thermal and electromagnetic interactions and uses
analytical tools and Finite Element Analysis.
A prototype machine, whose design decisions were focused on the micro and mini wind energy
systems applications, has been designed and constructed. The practical implementation and
testing aimed to evaluate the feasibility of the construction process and confirm the preliminary
design.
RÉSUMÉ
Les hautes performances volumétriques des matériaux magnétiques permanents à base de
terres rares, actuellement disponibles à coûts accessibles, rendent possible l’exploration de
nouvelles configurations de machines électriques et la concrétisation de facteurs d’échelle qui
seraient impraticables dans les systèmes d’excitation, classiquement obtenus par les densités
de courants, favorisant la réduction des dimensions et aussi le rendement de la machine.
Dans le contexte technologique actuel de produits électriques intégrés, les machines à flux
radial à aimants permanents présentent un potentiel considérable pour les applications à basse
vitesse, compte tenu des géométries praticables et de la densité supérieure de binaire qui les
caractérisent. Par l’analyse comparative de la configuration axiale avec son homologue radiale,
on démontre que la machine à flux radial à aimants permanents présente une densité de
binaire supérieure dans les projets qui utilisent plus de quatre paires de pôles.
La géométrie particulière de la configuration de la machine à flux radial à aimants permanents
introduit des variables imposant des modifications dans les procédures classiques de projet et
de construction de machines électriques. La routine de projet de la machine à flux radial à
aimants permanents, développée ici, met l’accent sur la configuration du double entrefer, rotor
interne. Elle incorpore les interactions électromagnétiques et thermiques, prenant appui sur les
outils analytiques et de simulation avec recours à la Méthode des Éléments Finis.
Un prototype a été projeté et construit. Les options du projet ont étés orientées vers les micro et
mini systèmes de conversion d’énergie éolienne. L’implémentation pratique du prototype et son
expérimentation en laboratoire ont permis de valider la possibilité d’exécution du processus
constructif et attester les variables initiales définies dans l’avant.
AGRADECIMENTOS
Findo este trabalho, é chegado o momento de agradecer a um conjunto de pessoas e
entidades cujo apoio e suporte foram cruciais na prossecução das diversas actividades
envolvidas.
Em primeiro lugar, quero agradecer ao meu orientador científico, Prof. Doutor Artur Fernandes
e Costa, pelo apoio e disponibilidade constantes e, principalmente, pela paciência demonstrada
para com o meu método de trabalho peculiar.
Agradeço também ao Prof. Doutor Amândio Morim Silva, presente na fase inicial deste
trabalho.
Aos Prof. Doutor Carlos Sá, Prof. Doutor Rui Araújo e Prof. Doutor José Rui Ferreira, o meu
sincero agradecimento pelas contribuições e apoio sempre manifestado.
Gostaria ainda de agradecer as facilidades concedidas pelo corpo técnico da FEUP,
nomeadamente à Sr.ª Carla Silva, ao Sr. José António Nogueira e ao Eng. Pinheiro Jorge.
À Escola Superior de Tecnologia e de Gestão de Bragança, na figura dos meus superiores
hierárquicos, agradeço as facilidades concedidas durante a realização deste trabalho.
Um agradecimento especial aos meus amigos João Paulo Almeida, Paula Odete Fernandes,
Paula Monte, Prudência Martins, Ana Isabel Pereira, Susana Freitas e Vicente Leite, que me
ajudaram em aspectos científicos e/ou de logística.
Quero ainda agradecer a preciosa colaboração do Sr. José Afonso Santos na construção do
protótipo.
Aos meus pais, à Lena, à Ana e ao Manuel, pelo incentivo e paciência demonstrados, o meu
muito obrigada.
Por fim, ao Leonel, a quem devo um agradecimento muito especial, por ter resistido aos últimos
tempos e pelo incentivo sempre dado.
A todos, muito obrigada,
i
ÍNDICE
Lista de Figuras ………………………………………………………………………………………………….…………………. vi
Lista de Tabelas …………………………………………………………………………………………………………………… xii
Lista de Símbolos …………………………………………………………………………………………….………………...… xiii
Abreviaturas ………………………………………………………………………………………………………...…………..… xxiii
CAPÍTULO 1 …………………………………………………………………………………………………………………..………… 1
1. Introdução …………………………………………………………….…………………………………………...………… 3
1.1. Âmbito e Motivação do Trabalho ………………………………………………………………………………….... 3
1.2. Sistemas de Conversão de Energia Eólica ……………………………………………………………...……... 4
1.2.1. Evolução tecnológica dos sistemas eólicos ……………………………………………………………..…... 4
1.2.2. Micro e mini sistemas eólicos ……………………………………………………………………………………… 9
1.2.3. Geradores de ímanes permanentes …………………………………………………………………………… 10
1.2.3.1. Geradores de ímanes permanentes de fluxo transversal …………………………………………... 12
1.2.3.2. Geradores de ímanes permanentes de fluxo radial …………………………………………………… 15
1.2.3.3. Geradores de ímanes permanentes de fluxo axial …………………………………………………..... 18
1.3. Objectivos e Contribuições do Trabalho ……………………………………………………………...………... 19
1.4. Estrutura do Trabalho ………………………………………………………………………………………………….. 20
Referências …………………………..……………………………………………………………………………………...……… 23
CAPÍTULO 2 …………………………………………………………………………...……………………………………………… 27
2. Estado de Arte da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial …………………………….… 29
2.1. Introdução ……………………………………………………………………………………………………...…...……… 29
2.2. Desenvolvimento das Máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial …………………..…… 29
2.3. Configurações e Variantes Construtivas da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial
………………………………………………………………………………………………………………………………...… 31
2.3.1. Estrutura com um entreferro ……………………………………………………………………………………… 33
2.3.2. Estrutura com duplo entreferro e estator interno ……………………………………………………….… 34
2.3.3. Estrutura com duplo entreferro e rotor interno ……………………………………………………...…..… 38
2.3.4. Estruturas rotóricas …………………………………………………………………………………………...….….. 39
2.3.5. Estruturas estatóricas ………………………………………………………………………………………….....… 41
ii
2.4. Materiais Magnéticos Permanentes ………………………………………………………………………...…… 43
2.4.1. Propriedades básicas do magnetismo permanente ………………………………………...…...……… 43
2.4.1.1. Magnetização e ciclo histerético ……………………………………………………………………………… 44
2.4.1.2. Energia nos processos de magnetização e desmagnetização …………………………………… 47
2.4.2. Evolução histórica dos materiais magnéticos ……………………………………………………………… 50
2.4.3. Materiais magnéticos permanentes de terras raras …………………………………………......……… 52
2.5. Materiais Magnéticos Macios ……………………………………………………………………………….……… 56
2.6. Resumo…………………………………………………………………………………………………………...…….…… 62
Referências……………………………………………………………………………………………………………...………...… 63
CAPÍTULO 3 ……………………………………………………………………………………...…………………………………… 69
3. Fundamentos da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial ………………………...……… 71
3.1. Introdução ………………………………………………………………………………………...………...……………… 71
3.2. Princípios Electromagnéticos Fundamentais ……………………………….………...……………………… 72
3.2.1. Princípio da produção de binário …………………………………………………...…...……………………… 74
3.2.2. Fluxo magnético e força electromotriz ……………………………………………………...………………… 77
3.2.3. Potência e binário electromagnéticos …………………………………………………...….………………… 77
3.3. Modos de Funcionamento …………………………………………………………………………………………… 78
3.3.1. Análise comparativa entre os modos de funcionamento sinusoidal e quadrilateral …..……. 83
3.4. Equações de Dimensionamento Básicas ……………………………………………………………………… 88
3.4.1. Razão de diâmetros ………………………………………………………………………………………….……… 89
3.4.2. Diâmetro externo ……………………………………………………………………………………………………… 91
3.4.3. Dimensões axiais …………………………………………………………………………………………………...… 94
3.5. Análise Comparativa entre as Máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial e Radial
…………………………………………………………………………………………………………………………………... 97
3.6. Resumo…………………………………………………………………………………………………………….....…… 101
Referências …………………………………………………………………………………………………...……………...…… 103
CAPÍTULO 4 ……………………………………………………………………...………………………………………….……… 105
4. Projecto Analítico da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial ………………………… 107
4.1. Introdução ………………………………………………………………………………………………………………… 107
4.2. Modelo da Máquina de IPFA ……………………………………………………………………………………… 108
4.3. Projecto Magnético …………………………………………………………………………………………....……… 109
4.3.1. Funcionamento dinâmico dos ímanes permanentes …………………………………..……………… 110
iii
4.3.1.1. Variação da temperatura de funcionamento ………………………….………...……………………… 111
4.3.1.2. Variação da linha de carga do circuito magnético …………………………………………………… 113
4.3.1.3. Modelo dos ímanes permanentes …………………………………………………………………..……… 115
4.3.2. Intensidade de corrente máxima admissível não desmagnetizante dos ímanes
permanentes ……………………………………………………………………………………………………………………… 116
4.3.3. Rede de relutâncias ……………………………………………………………………………………...………… 119
4.3.3.1. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes …………………………………………………………….… 122
4.3.3.2. Fluxo de fugas do entreferro ………………………………………………………………………….……… 125
4.4. Projecto Eléctrico ……………………………………………………………………………………………………… 127
4.4.1. Dimensionamento dos materiais activos do estator …………………………………………………… 128
4.4.2. Enrolamentos …………………………………………………………………………………………………….…… 132
4.4.2.1. Enrolamentos imbricados concentrados ………………………………………………………………… 133
4.4.2.2. Enrolamentos concentrados fraccionários ……………………………………………………...…….… 135
4.4.3. Cálculo da resistência por fase …………………………………………………………...…………………… 137
4.4.4. Cálculo das indutâncias síncronas …………………………………………………………………………… 139
4.4.4.1. Indutâncias de magnetização …………………………………………………………………………...…… 140
4.4.4.2. Indutância de fugas do estator ………………………………………………………………………….…… 143
4.4.4.3. Indutância mútua entre os estatores ……………………………………………………………………… 144
4.5. Resumo …………………………………………………………………………………………………………….……… 145
Referências ………………………………………………………………………………………………………...…………...… 147
CAPÍTULO 5 ……………………………………………………………………………………………………………………….… 149
5. Perdas e Transferência de Calor ……………………………………………………………………………...… 151
5.1. Introdução ………………………………………………………………………………………………………………… 151
5.2. Perdas Joule ………………………………………………………………………………………...…………………...152
5.3. Perdas no Ferro …………………………………………………………………………………………………...…… 152
5.3.1. Modelo parcelar das perdas no ferro ………………………………………………………………...……… 154
5.3.2. Modelo de Steinmetz modificado ………………………………………………………………...…………… 156
5.3.3. Variação das perdas no ferro com a temperatura ……………………………………………………… 161
5.4. Perdas Suplementares ……………………………………………………………………………………………… 162
5.5. Perdas Mecânicas ……………………………………………………………………………………………......…… 163
5.6. Perdas por Correntes de Foucault nos Ímanes Permanentes e na Estrutura do Rotor ….... 164
5.7. Modelo Térmico ……………………………………………………………………………………………………...… 166
iv
5.7.1. Transferência de calor …………………………………………………………………………………..………… 167
5.7.1.1. Condução …………………………………………………………………………………………….……………… 167
5.7.1.2. Convecção ………………………………………………………………………………………………………...… 169
5.7.1.3. Radiação …………………………………………………………………………………………...………………… 171
5.7.2. Rede de resistências térmicas …………………………………………………………………………….…… 173
5.8. Resumo ……………………………………………………………………………………………………………….…… 180
Referências …………………………………………………………………………………………………………………...…… 182
CAPÍTULO 6 ……………………………………………………………………………………...……………………………….… 185
6. Projecto Assistido pelo Método dos Elementos Finitos ………………………………………………… 187
6.1. Introdução ………………………………………………………………………………………………………………… 187
6.2. O método dos Elementos Finitos …………………………………………………………………………..…… 188
6.2.1. O método de Galerkin ………………………………………………………………………………………..…… 189
6.2.2. Análise 2D versus análise 3D ………………………………………………………………………………..… 191
6.2.3. Condições de fronteira ………………………………………………………………………………………….… 191
6.2.4. Discretização do domínio e precisão ……………………………………………………………………...… 193
6.3. Indução magnética ………………………………………………………………………………………………….… 195
6.3.1. Indução magnética no entreferro …………………………………………………………………………...… 196
6.3.2. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro …………………………………...……… 197
6.4. Indutâncias …………………………………………………………………………………………………..…………… 198
6.4.1. Indutâncias síncronas …………………………………………………..……………………………………….… 198
6.4.2. Indutâncias de magnetização ………………………………………………………………………...…...…… 200
6.4.3. Indutância de fugas nas ranhuras ………………………………………………………………….………… 201
6.4.4. Indutância mútua entre os estatores ………………………………………………………………………… 202
6.4.5. Influência do nível de saturação do ferro do estator …………………………………...…………...… 203
6.4.6. Comparação entre os resultados analíticos e os resultados obtidos pelo MEF ………..….. 205
6.5. Força Electromotriz em Vazio ……………………………………………………………………………….…… 206
6.6. Binário Electromagnético …………………………………………………………………………………………… 208
6.6.1. Binário de ranhura ………………………………………………………………………………………………..… 209
6.6.2. Cálculo dos binários de ranhura e electromagnético ………………………………….……………… 210
6.7. Optimização do Volume de Material Magnético Permanente ………………...……………………… 215
6.7.1. Fluxo totalizado em função do volume dos ímanes …………………………………………………… 216
6.7.2. Coeficiente polar optimizado …………………………………………………………………………………… 220
v
6.8. Resumo …………………………………………………………………………………………………………………… 223
Referências ……………………………………………………………………………………………………………...…...…… 225
CAPÍTULO 7 ……………………………………………………………………………………………………...……………….… 227
7. Implementação e Experimentação de uma Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial
…………………………………………………………………………………………………………...……………………. 229
7.1. Introdução …………………………………………………………………………………………………………...…… 229
7.2. Configuração do Protótipo da Máquina de IPFA ………………………………………………………….. 229
7.3. Processo Construtivo ………………………………………………………………………………………………… 231
7.3.1. Rotor …………………………………………………………………………………………………………………...… 232
7.3.2. Estator …………………………………………………………………………………………………………………… 234
7.3.3. Enrolamentos ……………………………………………………………………………………………………….… 236
7.4. Experimentação Laboratorial ………………………………………………………………………………...…… 238
7.4.1. Layout do sistema de experimentação ……………………………………………………………………... 238
7.4.2. Resultados experimentais …………………………………………………………………………………..…… 239
7.4.3. Discussão dos resultados ………………………………………………………………………………...…...… 242
7.5. Resumo …………………………………………………………………………………………………………………… 245
Referências………………………………………………………………………………………………………………………… 247
CAPÍTULO 8 …………………………………………………………………………………………...………………………….… 249
8. Conclusão ………………………………………………………………………………………………………………… 251
8.1. Síntese do Trabalho e Conclusões ………………………………………………………………………..…… 251
8.2. Prossecução do Trabalho e Desenvolvimentos Futuros ……………………………….……………… 253
ANEXO A
Coeficiente de Carter ……………….………………………….……………………………………….………….……….… 257
ANEXO B
Factor de Enrolamento dos Enrolamentos Imbricados …………………………….……………………..……… 263
ANEXO C
Parâmetros e Formulação dos Coeficientes Térmicos …………………………….…..…...…………………… 269
ANEXO D
Equações de Maxwell …………………………….……………………………………….…………………………...…...… 275
vi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado [Figura
adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)]. ………………………………………………………………………………………………….. 8
Figura 1.2: Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador síncrono de ímanes permanentes [Figura
adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)]. ……………………………………………………………………………………………...….. 9
Figura 1.3: Sistema de micro conversão de energia eólica, com sistema de protecção passivo [Figura adaptada de Bumby,
et al. (2008)]. ……………………………………………………………………………………………………………………..……... 10
Figura 1.4: Máquina de IPFT com os ímanes dispostos na superfície rotórica [Figura original de Kastinger (2002)]. ……… 12
Figura 1.5: Máquina de IPFT com concentração de fluxo [Figura original de Dubois, et al. (2002)]. …………………………. 13
Figura 1.6: Máquina de IPFT com os ímanes dispostos na superfície do rotor e núcleos de ferro do estator para retorno do
fluxo [Figura original de Blissenbach, Viorel (2003)]. …………………………………………………………………………..…... 13
Figura 1.7: Máquina de IPFT com fluxo comutado. (a) Representação tridimensional de um par de pólos. (b) Princípio da
comutação de fluxo [Figuras originais de Jianhu, et al. (2009)]. ……………………………………………………………...…... 14
Figura 1.8: Máquina de IPFT com o fluxo nos entreferros na direcção axial [Figura original de Muljadi, et al. (1999)]. ……. 14
Figura 1.9: Configuração radial com os ímanes embutidos na estrutura rotórica, com concentração de fluxo. (a) Ímanes
dispostos em V. (b) Ímanes com magnetização tangencial ao entreferro. ……………………………………………………..... 16
Figura 1.10: Máquina de IPFR multipolar. (a) Estator externo. (b) Rotor externo. …………………………………………….... 16
Figura 1.11: Secção transversal de um gerador de IPFR sem ferro magnético [Figura original de Spooner, et al. (2005)]. . 17
Figura 1.12: Secção longitudinal de um gerador IPFR com duplo entreferro, estator interno [Figura original de Mueller e
McDonald (2009)]. ………………………………………………………………………………………………………………...……. 17
Figura 2.1: Configurações básicas das máquinas de IPFA. (a) Estrutura com um entreferro. (b) Estrutura com duplo
entreferro, estator interno. (c) Estrutura com duplo entreferro, rotor interno. ……………………………………………………. 32
Figura 2.2: Estrutura modular da máquina de IPFA, com dois estatores e três discos rotóricos. ……………………......…… 33
Figura 2.3: Percursos do fluxo útil para a estrutura com duplo entreferro, estator interno. (a) Topologia Norte-Norte. (b)
Topologia Norte-Sul. ……………………………………………………………………………………………………………...….… 34
Figura 2.4: Topologia Norte-Norte para a estrutura com duplo entreferro, estator interno sem ranhuras. …………………… 35
Figura 2.5: Estrutura toroidal com ímanes adicionais na parte circunferencial do rotor. ……………………………...…......… 35
Figura 2.6: Máquina de IPFA duplo entreferro, estator interno com os ímanes dispostos em filas de Halbach, com direcções
de magnetização a 90º. (a) A indução magnética concentra-se no interior da estrutura. (b) Componentes da indução
magnética no espaço do estator. ……………………………………………...……………………………………………………… 36
Figura 2.7: Construção de uma máquina de IPFA trifásica, 8 pólos, sem ferro magnético, com os ímanes dispostos em fila
de Halbach. (a) Disco rotórico. (b) Enrolamento estatórico. (c) Disco rotórico e enrolamento estatórico. (d) Discos rotóricos
e enrolamento estatórico no interior (Gieras, et al., 2004, p. 191). …………………………………………………………......… 37
Figura 2.8: Estrutura com duplo entreferro, estator interno, com os ímanes embutidos nos rotores. (a) Secção transversal
de um disco rotórico. (b) Sector axial planificado. ……………………………………………………………………………......… 38
Figura 2.9: Percursos do fluxo útil para a estrutura com duplo entreferro, rotor interno. (a) Ímanes na superfície rotórica. (b)
Ímanes embutidos no rotor. …………………………………………………………………………………………………………… 38
vii
Figura 2.10: Estrutura polar com redução da reacção do induzido transversal [Figura adaptada de Weh, et al. (1984, p.
1759)]. …………………………………………………………………………………………………………………………….……… 40
Figura 2.11: Sector radial do rotor com os ímanes na superfície, com um pólo constituído por duas secções (íman
permanente e ferro magnético macio), para controlo por enfraquecimento do campo. ……………………………………...… 41
Figura 2.12: Automação da construção de estatores com ranhuras para máquinas de fluxo axial [Figura original de
BrookCrompton (2007), com autorização]. ……………………………………………………………………………………......… 42
Figura 2.13: Ciclos histeréticos normal e intrínseco de um íman permanente ideal [Figura adaptada de Campbell (1994, pp.
14-15)]. ………………………………………………………………………………………………………………………………...… 45
Figura 2.14: Características de desmagnetização normais e intrínsecas de um íman de NdFeB (N40UH) [Figura adaptada
de ChenYang-Engineering (2010)]. ………………………………………………………………………………………………...… 46
Figura 2.15: Variação de energia ao longo do ciclo histerético normal [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 17)]. …..… 48
Figura 2.16: Variação por unidade de volume da energia associada ao campo magnético (a), da energia cinética interna (b)
e da energia potencial (c) [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 98)]. ………………………………………………..…….… 49
Figura 2.17: Produto energético em função do campo magnético ao longo da característica de desmagnetização. …….… 50
Figura 2.18: Desenvolvimento dos materiais magnéticos permanentes no século XX, em função do produto energético
máximo [Figura adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorização]. …………………………………………………….… 52
Figura 2.19: Principais propriedades magnéticas dos materiais magnéticos macios comerciais mais comuns [Figura
adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorização]. …………………………………………………………….……….…… 57
Figura 2.20: Ciclos histeréticos de uma liga amorfa (Metglas 2605SA1), antes e depois do tratamento termomagnético nas
direcções longitudinal e transversal [Figura adaptada de Metglas (2010)]. ……………………………………………………… 60
Figura 2.21: Esquema de um material magnético compósito [Figura adaptada de Hultman, Jack (2003, p. 516)]. ..….....… 61
Figura 3.1: Distribuições da indução magnética no entreferro da máquina bipolar equivalente. (a) Distribuição quadrilateral.
(b) Distribuição sinusoidal correspondente à componente fundamental. ………………………………………………………… 73
Figura 3.2: Forma de onda quadrilateral e componente fundamental da indução magnética no entreferro ao longo do raio
útil da máquina; m 0,7. …………………………………………………………………………………...………………………… 74
Figura 3.3: Componentes harmónicas da forma de onda da indução magnética; m 0,7;
max max 4 sin 2 ,h mB B h h h 1, 3, 5, 7. …………………………………………………………………………...……… 74
Figura 3.4: Princípio de produção de binário numa máquina de fluxo axial. (a) Representação simplificada da máquina de
fluxo axial ideal. (b) Superfície elementar ds . ………………………………………….…………………………………...……… 76
Figura 3.5: Formas de onda da corrente da máquina de IPFA. (a) Modo sinusoidal. (b) Modo quadrilateral. …….....……… 79
Figura 3.6: Diagrama fasorial de uma máquina síncrona anisotrópica (gerador sobrexcitado). …………………….………… 80
Figura 3.7: Formas de onda teóricas da fem induzida e da intensidade de corrente da máquina de IPFA quadrilateral. ….. 81
Figura 3.8: Circuito eléctrico da máquina de IPFA quadrilateral ligada a um conversor electrónico de energia com duas
fases activas. ……………………………………………………………………………………………………………………….…… 81
Figura 3.9: Fluxos totalizados e fem induzidas numa máquina trifásica no modo de funcionamento quadrilateral. ………… 83
Figura 3.10: Espaço disponível para a disposição dos enrolamentos entre o veio da máquina e o raio interno. (a)
Enrolamento a duas camadas com uma ranhura por pólo e por fase. (b) Enrolamento concentrado num estator com
Dk 0,6 [Figura original de Parviainen (2005), p. 23]. ………………...…………………………………………...……………… 90
viii
Figura 3.11: Diâmetro externo em função da potência útil e da razão de diâmetros, Dk ; coswk 0,8; 0,9;
rn 300 min-1; 2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m. ………………………………………………………...…………………. 93
Figura 3.12: Diâmetro externo em função da potência útil e da velocidade de rotação; coswk 0,8; 0,9; 1 3Dk ;
2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m. ……………………………………………………………………………………………… 93
Figura 3.13: Sector axial planificado no diâmetro médio da máquina de IPFA com duplo entreferro e rotor interno. …….... 94
Figura 3.14: Característica de desmagnetização dos ímanes permanentes e linha de carga do circuito magnético. …....... 95
Figura 3.15: Dimensões das máquinas de ímanes permanentes; (a) máquina de IPFA; (b) máquina de IPFR. ……………. 99
Figura 3.16: Razão entre as densidades de binário das máquinas de ímanes permanentes de fluxo axial e de fluxo radial;
max1 sB B 0,67; Dk 0,6; mgk 0,8. ……………………………………………………………………………………………… 101
Figura 4.1: Estator de uma máquina de IPFA com uma geometria das ranhuras constante e largura dos dentes variável ao
longo do raio útil. …………………………………………………………………………………………………….……………...… 108
Figura 4.2: Formas dos ímanes das máquinas de IPFA. (a) Coeficiente polar constante; (b) e (c) coeficiente polar variável.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 109
Figura 4.3: Definição da geometria dos materiais activos nos diferentes planos de computação da máquina de IPFA. …. 109
Figura 4.4: Variação da indução magnética com a temperatura [Figura adaptada de Campbell (1994), p. 68]. ……….….. 112
Figura 4.5: Funcionamento dinâmico de um íman permanente por variação da linha de carga. ……………………...…..… 114
Figura 4.6: Modelo equivalente de um íman permanente. (a) Equivalente de Norton. (b) Equivalente de Thévinin. ……... 116
Figura 4.7: Circuito magnético equivalente simplificado da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial. ……….....… 117
Figura 4.8: Pontos de funcionamento limite correspondentes à não desmagnetização de um íman permanente (a) com uma
característica de desmagnetização não linear e (b) com uma característica de desmagnetização linear. ……………...…. 118
Figura 4.9: Rede de relutâncias da máquina ao longo de um passo polar. y é a relutância de um elemento do núcleo do
estator, t é a relutância de um dente, s é a relutância da abertura da ranhura, , ( )g d q é a relutância do entreferro
equivalente na direcção polar (interpolar), m é a relutância interna correspondente a meio íman, I é a fmm devida ao
enrolamento do estator e mr é a fmm devida aos ímanes permanentes em “circuito aberto”. ………………...…….…..… 121
Figura 4.10: Permeabilidade relativa em função da indução magnética do ferro laminado M470-50A. ………………......... 122
Figura 4.11: Distribuição do fluxo magnético e da fmm ao longo do comprimento axial do íman permanente [Figura
adaptada de Gieras e Wing (2002), p. 47]. …………………………………………………………………………...………...….. 123
Figura 4.12: (a) Fluxo de fugas nos próprios ímanes e fluxo de fugas entre ímanes adjacentes. (b) Rede de relutâncias
associada aos ímanes com a inclusão dos percursos dos fluxos de fugas. ……………………….………………………...… 123
Figura 4.13: Modelo equivalente de um íman permanente, incluindo os fluxos de fugas. (a) Equivalente de Norton. (b)
Equivalente de Thévinin. …………………………………………………………………………………………………………...… 124
Figura 4.14: Relutâncias da abertura da ranhura, no percurso do fluxo de fugas do entreferro; (a) relutância mínima; (b)
relutância máxima. …………………………………………………………………………………………………………………..... 126
Figura 4.15: Variação do fluxo de fugas do entreferro em função do coeficiente polar, para as relutâncias mínima e máxima;
ro row l 0,2 cm; r 0,717 cm; r 300; 2008 A 2r rw ; 1 q 5. ………………………………………….… 127
Figura 4.16: Núcleo de ferro laminado na direcção radial. ……………………………………………………………..…...…… 130
Figura 4.17: Geometria da espira alojada nas ranhuras da máquina de IPFA, com 1q ; 3b r é o passo da bobina. 131
ix
Figura 4.18: Tipos de enrolamentos imbricados utilizados nas máquinas de ímanes permanentes; (a) enrolamentos
concentrados, q 1; (b) enrolamentos distribuídos, q 2. …………………………………………………...………………… 133
Figura 4.19: (a) Disposição dos enrolamentos imbricados concentrados. (b) Distribuição espacial da fmm devida às
componentes fundamentais das intensidades de corrente no estator com q 1; maxai I ; max 2b ci i I . …………... 134
Figura 4.20: Componentes harmónicas da forma de onda de onda da fmm de ordem 1 até 11; max3 I ,Ih fN hp h 1,
5, 7, 11. ……………………………………………………………………………...……………………………………………...….. 135
Figura 4.21: Enrolamentos concentrados fraccionários, q 1, (a) de duas camadas e (b) de uma camada. ………...…… 136
Figura 4.22: (a) Fluxo de fugas através da ranhura devido às correntes que circulam nos condutores. (b) Variação do
campo magnético ao longo do comprimento da ranhura. J y é a densidade superficial de corrente; cn é o número de
camadas de condutores na direcção axial da máquina; rN é o número de condutores por ranhura; i é a intensidade de
corrente em cada condutor da ranhura; rw é a largura da ranhura. ………………………………………………….………… 138
Figura 4.23: Formas de onda da indução magnética no entreferro, devidas à componente fundamental da fmm do estator
da máquina, com os ímanes dispostos na periferia do rotor de (a) material não magnético e de (b) material magnético
[Figura adaptada de Gieras e Wing (2002), pp. 188-189]. …………………………………………………………………...…... 140
Figura 5.1: Amplitude dos ciclos histeréticos menores na forma de onda da indução magnética não sinusoidal. ………… 155
Figura 5.2: Formas de onda da indução magnética nos dentes de ferro; (a) ,t eq mw , (b) ,t eq mw , (c)
,t eq mw . ……………………………………………………………………………………………………………...………….. 159
Figura 5.3: Forma de onda da indução magnética num elemento do núcleo do estator. ……………………………….…….. 160
Figura 5.4: Perdas específicas no ferro laminado M470-50A, sob indução sinusoidal à frequência de 50 Hz. ……………. 161
Figura 5.5: Formas de onda da indução magnética devida aos ímanes permanentes ao longo de um passo polar na
presença de (a) uma ranhura aberta e de (b) uma ranhura semi-aberta. ………………………………………………………. 165
Figura 5.6: Interface entre a ranhura e o ferro do dente da máquina de IPFA. ………………………………………………… 168
Figura 5.7: Transferência de calor por condução num volume de controle com geração de energia distribuída e uniforme e
condições de fronteira assimétricas. ………………………………………………………………………………………………… 175
Figura 5.8: Modelo de parâmetros concentrados de um volume de controle com geração de energia distribuída e uniforme.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 176
Figura 5.9: (a) Estrutura dos condutores na ranhura. (b) Modelo simplificado com dois materiais homogéneos. …………. 177
Figura 5.10: Rede de resistências térmicas do protótipo da máquina de IPFA (as fontes de corrente que modelam a
injecção das perdas na rede, são suprimidas e representadas por setas). …………………………………………………….. 178
Figura 6.1: Secção circunferencial planificada da máquina de IPFA correspondente a um par de pólos e condições de
fronteira e de simetria associadas. ……………………………………………………………………………………………...…... 192
Figura 6.2: Discretização do domínio através de uma malha com 92864 elementos triangulares, 46709 pontos, 2612
elementos de fronteira e 80 vértices. ……………………………………………………………………………………………….. 194
Figura 6.3: Distribuição da indução magnética no plano médio da máquina, em vazio ( rB 1,12 T). ……………………... 195
Figura 6.4: Distribuição da indução magnética no plano médio da máquina, em carga ( rB 1,12 T, 22ai A;
2b ci i A). ………………………………………………………………………………………………………………………. 195
x
Figura 6.5: (a) Forma de onda da indução magnética no entreferro ao longo de um passo polar, no plano médio da
máquina em vazio ( rB 1,12 T). (b) Conteúdo harmónico. ………………………………………...…………………………… 196
Figura 6.6: (a) Forma de onda da indução magnética no entreferro ao longo de um passo polar, no plano médio da
máquina em carga ( rB 1,12 T, 22ai A; 2b ci i A). (b) Conteúdo harmónico. ………………………………...… 197
Figura 6.7: Fluxos de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro. (a) Fluxo de fugas do entreferro através do percurso
de relutância máxima. (b) Fluxo de fugas no entreferro através do percurso de relutância mínima. ………………………... 197
Figura 6.8: Distribuição das fases nas ranhuras correspondente à fmm máxima coincidente com o eixo d ; o eixo da fase
a , 'a , coincide com o eixo d , e as intensidades de corrente são 22ai A, 2b ci i A. …………………………… 199
Figura 6.9: Indução magnética de reacção do induzido segundo o eixo d , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de um
passo polar; (b) conteúdo harmónico. ………………………………………………………………………………………………. 201
Figura 6.10: Indução magnética de reacção do induzido segundo o eixo q , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de
um passo polar ; (b) conteúdo harmónico. …………………………………………………………………………………………. 201
Figura 6.11: (a) Fluxo de fugas nas ranhuras; (b) Vector potencial magnético ao longo da dimensão axial da ranhura. … 202
Figura 6.12: Distribuição do vector potencial magnético ao longo de um par de pólos na estrutura axial, com os dois
estatores; as densidades de corrente no estator superior correspondem a 22qi A e 0di e no estator inferior são
nulas. ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 203
Figura 6.13: Variação da permeabilidade relativa no ferro da máquina com 22di A e 0qi , na presença de (a) campo
de reacção do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reacção do induzido. ……………………………………… 204
Figura 6.14: Variação da permeabilidade relativa no ferro da máquina com 22qi A e 0di , na presença de (a) campo
de reacção do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reacção do induzido. ……………………………………… 204
Figura 6.15: Fluxo totalizado numa fase da máquina em vazio relativamente à posição rotórica (em radianos eléctricos);
rB 1,12 T. ……………………………………………………………………………………………………………………………. 207
Figura 6.16: Fem por fase em vazio ( f 100 Hz); (a) forma de onda e componente fundamental; (b) Conteúdo harmónico.
………………………………………………………………………………………………………………………………………...…. 208
Figura 6.17: Superfície infinitesimal do rotor da máquina de IPFA e componentes da indução magnética. ……………….. 212
Figura 6.18: Energia magnética em vazio ao longo de um passo de ranhura (a aproximação obtida pelos coeficientes de
Fourier é representada pela curva SF). …………………………………………………………………………………………...... 214
Figura 6.19: Binário de ranhura ao longo de um período; (a) formas de onda obtidas pelo método do tensor de tensões de
Maxwell (TTM) e pelo método do deslocamento virtual; (b) harmónicos na forma de onda do binário de ranhura (TTM). . 215
Figura 6.20: Bobina da máquina de IPFA, representada, por simplificação, com uma espira. ………………………………. 217
Figura 6.21: Distribuição do produto interno ri IH B na área reservada aos ímanes permanentes, com m 1. ….….. 221
Figura 7.1: Rotor do protótipo, com os rolamentos posicionados no veio; (a) e (b) pormenores da fixação do rotor ao veio.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 233
Figura 7.2: Veio do protótipo. ………………………………………………………………………………………………………… 234
Figura 7.3: Processo construtivo dos estatores; (a) peça de ferro compactada; (b) e (c) obtenção das ranhuras. ……….. 234
xi
Figura 7.4: Processo de fixação dos estatores à carcaça; (a) tampa e (b) um estator com a furação do sistema de fixação.
………………………………………………………………………………………………………………………………..………….. 235
Figura 7.5: Pormenor do encaixe providenciado na carcaça para ajudar a fixar os estatores. ………………………….…… 236
Figura 7.6: Processo de obtenção dos enrolamentos; (a) disposição dos enrolamentos nas ranhuras e (b) fixação e
isolamento dos enrolamentos não activos. ………………………………………………………………………………………… 237
Figura 7.7: Protótipo da máquina de IPFA; (a) terminais dos enrolamentos; (b) vista segundo a direcção axial. …………. 238
Figura 7.8: Layout do sistema de experimentação do protótipo. ………………………………………………………………… 239
Figura 7.9: Valor eficaz da fem induzida em vazio, por fase, em função da frequência. ……………………………………… 239
Figura 7.10: (a) Forma de onda da fem induzida em vazio a 100 Hz; (b) valores eficazes das componentes harmónicas. 240
Figura 7.11: Evolução das perdas no ferro e perdas mecânicas com a frequência. ………………………………….……….. 240
Figura 7.12: Tensão simples nos terminais da máquina em função da corrente fornecida, com factor de potência unitário.
…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 241
Figura 7.13: Potência fornecida, com factor de potência unitário. ………………………………………………………….…… 241
Figura 7.14: Rendimento medido em função da corrente fornecida. ………………………………………………………….… 241
Figura 7.15: Evolução das perdas Joule (a) e das perdas no ferro e mecânicas com a carga, a 100 Hz (b) e a 50 Hz (c). 242
Figura 7.16: Indução magnética devida aos ímanes com geometria cilíndrica; (a) distribuição da indução magnética num
plano do entreferro da máquina de IPFA; (b) forma de onda da indução magnética ao longo de um passo polar no diâmetro
médio da máquina. ……………………………………………………………………………………………………………….…… 243
Figura A.1: Distribuição da indução magnética no entreferro ao longo de um passo de ranhura da máquina, para a largura
da abertura da ranhura física, 0rw , e para a largura da abertura da ranhura equivalente, 0,r eqw . …………………..……… 260
Figura A.2: Variação do coeficiente de Carter em função das razões entre a largura da ranhura e o comprimento do
entreferro, row g , e entre a largura da ranhura e o passo de ranhura, ro rw . …………………………………..……..…… 261
Figura B.1: Efeito da distribuição do enrolamento na fem induzida. …………………………………………………..………… 265
Figura B.2: Efeito do encurtamento do passo das bobinas na fem induzida. ……………………………...…………………… 266
Figura B.3: Inclinação das ranhuras relativamente à direcção polar radial. ……………………………………………………. 267
xii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1: Designações das máquinas de ímanes permanentes, de acordo com as direcções do fluxo no entreferro e no
núcleo do estator. ……………………………………………………………………………………………………………………..… 11
Tabela 2.1: Principais características das classes de ímanes permanentes sinterizados com relevância comercial actual
[Tabela adaptada de Trout (2008), com autorização]. ……………………………………………………………………………… 56
Tabela 5.1: Designação das resistências da rede de resistências térmicas. …………………………………………………… 179
Tabela 6.1: Comparação entre as abordagens analítica e numérica no cálculo das indutâncias da máquina de IPFA. Na
abordagem analítica, r dsd q md qL L L L . sd qL indutância síncrona longitudinal (transversal), md qL indutância de
magnetização longitudinal (transversal), rL indutância de fugas nas ranhuras, dL indutância diferencial, M indutância
mútua entre os estatores. ………...…………………………………………………………………………………………...……... 205
Tabela 6.2: Fluxo totalizado em vazio por unidade de comprimento radial da máquina de IPFA em função do coeficiente
polar ( rB 1,06 T, i 2 A). ……………………………………………………………………………………………………........ 223
Tabela 7.1: Parâmetros do protótipo da máquina de IPFA implementado. …………………………………………...………... 231
Tabela 7.2: Propriedades magnéticas dos ímanes permanentes de NdFeB, graduação N30SH. …………………….…….. 231
Tabela 7.3: Resultados teóricos e experimentais da sobrelevação da temperatura. ……………………..…………………… 242
Tabela 7.4: Regime nominal do protótipo da máquina de IPFA. ……………………………………………………………...…. 245
Tabela B.1: Factor de distribuição para um enrolamento com 2q . …………………………………………………...……... 266
Tabela B.2: Factor de passo da bobina para um enrolamento com b 2/3. ………………………………………......….. 266
Tabela C.1: Propriedades físicas e térmicas de materiais seleccionados, relevantes em máquinas eléctricas. d massa
volúmica; th condutividade térmica; pc capacidade específica de calor; viscosidade dinâmica; d viscosidade
cinemática; th pdc difusividade térmica; th emissividade; p thPr c número de Prandtl (Incropera, et al., 2007;
Pyrhönen, et al., 2008). …………………………..……....…………………………..…………………………….………………… 271
Tabela C.2: Comprimentos equivalentes de interfaces, eql , e coeficientes de transferência de calor por contacto, ,th uh , entre
materiais em máquinas eléctricas (Pyrhönen, et al., 2008). ………………………..…………..…………………………...…… 272
Tabela C.3: Coeficientes médios de transferência de calor por convecção, ,th vh . Ra número de Rayleigh; g aceleração da
gravidade (m/s2); coeficiente térmico de expansão volumétrica (K-1); fT temperatura da película (K); sT temperatura da
superfície (K); T temperatura quiescente (K); Nu número de Nusselt médio; L comprimento característico (m); DRe
número de Reynolds na periferia do disco; Re número de Reynolds rotacional; r velocidade angular de rotação (rad/s);
outr raio externo (m); G razão entre o comprimento do entreferro, g , e o raio externo; as designações das resistências
térmicas correspondem às utilizadas em 5.7.2. .…………………………..……………………....…..………………………….. 272
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS
a , b , c fases do sistema trifásico
x , y , z variáveis do sistema de coordenadas cartesianas
xu , yu , zu versores do sistema de coordenadas cartesianas
A densidade linear de corrente, A/m; vector potencial magnético, Wb/m
'a eixo da fase a
B indução magnética, T
rB indução remanente, T
sB indução de saturação, T
mC parâmetro empírico associado ao modelo de Steinmetz
thC capacidade de calor, J/K
c velocidade de uma onda electromagnética num meio material, m/s
dc coeficiente de resistência aerodinâmica
pc capacidade específica de calor, J/(kg.K)
0c velocidade de uma onda electromagnética no vazio, m/s
D diâmetro, m; domínio; vector deslocamento eléctrico, C/m2
cD diâmetro de um fio condutor incluindo o isolamento, m
,c uD diâmetro de um fio condutor, m
rD deslocamento eléctrico residual, C/m2
d eixo longitudinal; espessura da chapa de ferro, m; massa volúmica, kg/m3
ard massa volúmica do ar, kg/m3
E campo eléctrico, V/m; força electromotriz, V
e espessura da chapa de ferro incluindo o isolamento, m
F força de Lorentz, N
força magnetomotriz, A
mc força magnetomotriz coerciva, A
xiv
mci força magnetomotriz coerciva intrínseca, A
mr força magnetomotriz em “circuito aberto”, A
f frequência, Hz; função
wrf frequência fundamental dos harmónicos de ranhura, Hz
vector das forças magnetomotrizes, A
G razão entre o comprimento do entreferro e o raio externo
thG condutância térmica, W/K
g aceleração da gravidade, m/s; comprimento físico do entreferro, m
Cg comprimento do entreferro corrigido pelo coeficiente de Carter, m
thG matriz das condutâncias térmicas, W/K
H campo magnético, A/m
cH campo magnético coercivo, A/m
ciH campo magnético coercivo intrínseco, A/m
h ordem do harmónico
,th rh coeficiente de transferência de calor por radiação, W/(K.m2)
,th uh coeficiente de transferência de calor por condução, W/(K.m2)
,th vh coeficiente de transferência de calor por convecção, W/(K.m2)
I , i intensidade de corrente, A
J densidade de corrente eléctrica, A/m2
eJ densidade de corrente eléctrica externa, A/m2
ank coeficiente de perdas anómalas
Ck coeficiente de Carter
cFk coeficiente de perdas por correntes de Foucault
Dk razão entre os diâmetros interno e externo da máquina (razão de diâmetros)
dk factor de distribuição
hk coeficiente de perdas por histerese
xv
hck factor de correcção das perdas por histerese
Mk coeficiente de acoplamento magnético
,mec ak factor das perdas mecânicas por atrito nos rolamentos
mgk razão entre o comprimento axial dos ímanes e do entreferro e o comprimento axial do
núcleo do estator
pk factor de encurtamento de passo de uma bobina
rk factor de preenchimento da ranhura
sk factor de inclinação
satk factor de saturação
strk factor das perdas suplementares
wk factor de enrolamento
ck coeficiente da permeância de fugas dos enrolamentos não activos
dk coeficiente da permeância diferencial
rk coeficiente da permeância da ranhura
k factor de correcção do fluxo útil
1k razão entre a amplitude da componente fundamental e a amplitude máxima
L comprimento característico, m; operador diferencial de segunda ordem
mdL indutância de magnetização longitudinal, H
mqL indutância de magnetização transversal, H
sdL indutância síncrona longitudinal, H
sqL indutância síncrona transversal, H
l comprimento, m
cl comprimento médio de uma espira de material condutor, m
el comprimento axial do estator, m
,l eql espessura equivalente dos materiais isolantes na ranhura, m
rol comprimento axial da abertura da ranhura, m
xvi
sl comprimento da fita do estator, m
L indutância de fugas do estator, H
cL indutância de fugas dos enrolamentos não activos, H
dL indutância diferencial, H
rL indutância de fugas das ranhuras, H
M indutância mútua, H; magnetização, A/m
sM magnetização de saturação, A/m
m massa, kg; número de fases;
mm momento de um dipolo magnético, A.m2
rm massa do rotor, kg
vm massa do veio, kg
N número de planos de computação
fN número de espiras em série por fase
rN número de condutores por ranhura
uN número de Nusselt
n velocidade de rotação, min-1; vector unitário perpendicular à fronteira
cn número de camadas de condutores numa ranhura na direcção axial
pn número de condutores em paralelo por espira da bobina
1N conjunto dos números naturais, excluindo o 0
P polarização eléctrica, C/m2; potência activa, W
anP perdas anómalas no ferro, W
cFP perdas por correntes de Foucault, W
elmP potência electromagnética, W
FeP perdas no ferro, W
,Fe sP perdas específicas do ferro, W/kg
fP potência fornecida, W
xvii
hP perdas por histerese, W/kg
JP perdas Joule, W
mP polarização magnética, T
,mec aP perdas mecânicas por atrito, W
,mec fP perdas mecânicas por fricção, W
Pr número de Prandtl
strP perdas suplementares, W
p número de pares de pólos
rp perímetro da ranhura, m
permeância, H
mm permeância de fugas entre ímanes adjacentes, H
mlk permeância de fugas própria do íman, H
P vector das potências de perdas injectadas, W
Q número de ranhuras por estator
thQ quantidade de calor, J
q eixo transversal; número de ranhuras por pólo e por fase
R resistência por fase,
Ra número de Rayleigh
Re número de Reynolds rotacional
DRe número de Reynolds na periferia do disco em rotação
rR resistência térmica de radiação, K/W
uR resistência térmica de condução, K/W
vR resistência térmica de convecção, K/W
g relutância, H-1
mm relutância de fugas entre ímanes adjacentes, H-1
mlk relutância de fugas própria do íman, H-1
xviii
s relutância da abertura da ranhura , H-1
r posição no espaço , ,r x y z ; raio, m
ur raio útil do estator, m
vr raio do veio, m
*r resíduo
matriz das relutâncias, H-1
S secção, m2
bS secção da bobina, m2
,Cu rS secção transversal de cobre por ranhura, m2
cS secção do condutor incluindo o isolamento, m2
,c uS secção do condutor, m2
elmS potência aparente electromagnética, VA
iS superfície equivalente dos enrolamentos não activos no raio interno, m2
oS superfície equivalente dos enrolamentos não activos no raio externo, m2
'S superfície infinita
T período, s; temperatura, ºC; temperatura absoluta, K
ambT temperatura ambiente, ºC ou K
CT temperatura de Curie, ºC ou K
cogT binário de ranhura, N.m
elmT binário electromagnético, N.m
fT temperatura da película, ºC ou K
sT temperatura da superfície, ºC ou K
T temperatura quiescente, ºC ou K
T tensor de Maxwell de segunda ordem
t tempo, s
U tensão (simples), V
V potencial escalar eléctrico, V; volume, m3
xix
extV volume exterior à máquina, m3
gV volume do material da máquina com permeabilidade aproximadamente igual à do vazio, m3
'V volume associado ao espaço infinito, m3
v velocidade, m/s
W energia, J
mW energia magnética, J
w função peso; largura, m
row largura da abertura da ranhura, m
mdX reactância de magnetização longitudinal,
mqX reactância de magnetização transversal,
sX reactância síncrona,
sdX reactância síncrona longitudinal,
sqX reactância síncrona transversal,
X reactância de fugas,
ângulo eléctrico, rad ou º; difusividade térmica, m2/s; parâmetro da equação de Steinmetz
m coeficiente polar
s ângulo de inclinação da ranhura, rad ou º
coeficiente térmico de expansão volumétrica, K-1; parâmetro associado às perdas no ferro
ângulo eléctrico entre o centro do pólo (eixo longitudinal d ) e o enrolamento da fase,
suposta a , do estator, rad ou º
m largura polar, rad, º ou m
ângulo de binário, rad ou º
ij delta de Kronecker
l ângulo de carga, rad ou º
erro relativo; espessura do isolamento de um lado da lâmina de ferro, m; permitividade
absoluta, F/m; razão entre os valores por fase da tensão nos terminais da máquina e a fem
em vazio
xx
r permitividade relativa
th emissividade
,th r emissividade relativa entre as superfícies emissora e absorvente
0 permitividade do vazio, F/m
rendimento
ângulo geométrico, rad ou º; diferença de temperatura, K ou ºC
vector da sobrelevação da temperatura, K
coeficiente de temperatura da resistividade, ºC-1; função escalar ou vectorial
B coeficiente de temperatura reversível da indução remanente, ºC-1
H coeficiente de temperatura reversível do campo magnético coercivo intrínseco, ºC-1
* função de interpolação
razão entre a largura da abertura equivalente e a largura da ranhura
comprimento de onda, m; fluxo totalizado, Wb;
,a m fluxo totalizado na bonina a devido unicamente ao fluxo indutor, Wb
,a mI fluxo totalizado na bonina a devido aos fluxo indutor e de reacção do induzido, Wb
permeabilidade absoluta, H/m; viscosidade dinâmica, Pa.s
ar viscosidade dinâmica do ar, Pa.s
r permeabilidade relativa
,r rec permeabilidade relativa de restabelecimento dos ímanes permanentes
0 permeabilidade do vazio, H/m
viscosidade cinemática, m2/s
densidade de binário, N.m/m3
densidade volúmica de carga eléctrica, C/m3; resistividade eléctrica, .m
condutividade eléctrica, S/m
SB constante de Stefan-Boltzmann, W/(K4.m2)
th condutividade térmica, W/(K.m)
passo polar, rad, º ou m
xxi
b passo da bobina, rad, º ou m
r passo da ranhura, rad, º ou m
profundidade de penetração num condutor, m
j função linear
fluxo magnético, Wb
,m lk fluxo de fugas do íman permanente, Wb
,m u fluxo magnético útil no entreferro, Wb
',m u fluxo magnético útil nas superfícies polares, Wb
r fluxo magnético remanente, Wb
th fluxo térmico, W
e susceptibilidade eléctrica
m susceptibilidade magnética
vector dos fluxos magnéticos, Wb
ângulo de fase, rad ou º
fronteira de um domínio
frequência angular eléctrica, rad/s
r velocidade angular de rotação, rad/s
operador diferencial
Sufixos
a ambiente, fase a do sistema trifásico
c condutores
Cu cobre
d longitudinal
e estator
eq equivalente
Fe ferro
xxii
f carcaça
g entreferro
I induzido
i enrolamentos não activos no raio interno
l isolamento e impregnação das ranhuras
h ordem do harmónico
in interno
m ímanes permanentes
max máximo
med médio
min mínimo
N nominal
o enrolamentos não activos no raio externo
out externo
q transversal
r ranhura; disco rotórico de suporte dos ímanes permanentes
t dentes do estator
y núcleo do ferro do estator
Sufixos adicionais
A axial
qd quadrilateral
R radial
xxiii
ABREVIATURAS
AC Corrente Alternada
DC Corrente Contínua
EDP Equação Diferencial Parcial
EWEA European Wind Energy Association
fem força electromotriz
fmm força magnetomotriz
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
IPFA Ímanes Permanentes de Fluxo Axial
IPFR Ímanes Permanentes de Fluxo Radial
IPFT Ímanes Permanentes de Fluxo Transversal
MEF Método dos Elementos Finitos
MDF Medium Density Fiberboard
N polo norte
PWM Pulse Width Modulation
Re Parte real
S polo sul
SF Série de Fourier
TTM Tensor de Tensões de Maxwell
2D duas dimensões
3D três dimensões
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
2
ÍNDICE
1. Introdução ................................................................................................................................. 3
1.1. Âmbito e Motivação do Trabalho.............................................................................................. 3
1.2. Sistemas de Conversão de Energia Eólica .............................................................................. 4
1.2.1. Evolução tecnológica dos sistemas eólicos .......................................................................... 4
1.2.2. Micro e mini sistemas eólicos ................................................................................................ 9
1.2.3. Geradores de ímanes permanentes .................................................................................... 10
1.2.3.1. Geradores de ímanes permanentes de fluxo transversal ................................................. 12
1.2.3.2. Geradores de ímanes permanentes de fluxo radial .......................................................... 15
1.2.3.3. Geradores de ímanes permanentes de fluxo axial ........................................................... 18
1.3. Objectivos e Contribuições do Trabalho ................................................................................ 19
1.4. Estrutura do Trabalho ............................................................................................................. 20
Referências ....................................................................................................................................... 23
3
1. INTRODUÇÃO
1.1. ÂMBITO E MOTIVAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho insere-se no âmbito do projecto e modelação de máquinas eléctricas de
Ímanes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA) orientadas para aplicações a baixas velocidades,
nomeadamente, os sistemas de conversão de energia eólica, como geradores.
O potencial das máquinas de ímanes permanentes está directamente associado a dois vectores
de desenvolvimento tecnológico, o primeiro e mais decisivo dos quais está relacionado com a
evolução dos materiais magnéticos permanentes baseados em terras raras. Devido à sua elevada
eficiência energética, estes materiais permitem uma reconfiguração dos circuitos magnéticos e a
utilização de factores de escala nos sistemas de excitação das máquinas eléctricas, permitindo
configurações e volumetrias não praticáveis nas soluções convencionais.
O segundo vector decorre da maturação e vulgarização dos sistemas de conversão electrónica de
energia, que permitem o desacoplamento da máquina eléctrica da rede, com a consequente
eliminação de dispositivos de interface.
Por outro lado e no contexto tecnológico actual, a configuração axial da máquina de ímanes
permanentes, se realizada com um número de pólos elevado, apresenta uma densidade de binário
superior à sua homóloga radial, o que motiva a sua exploração em aplicações caracterizadas por
baixas velocidades de rotação. Acresce ainda o potencial associado à geometria com que podem
ser desenhadas, ideal para aplicações em que o comprimento axial da máquina é limitado pelos
requisitos da aplicação.
O estado de arte dos geradores eólicos de ímanes permanentes e dos sistemas de conversão de
energia eólica demonstram a adequabilidade da máquina de IPFA aos requisitos desta aplicação,
4
tal como se apresenta na secção seguinte em modo de enquadramento do presente trabalho e
justificação dos seus principais objectivos.
1.2. SISTEMAS DE CONVERSÃO DE ENERGIA EÓLICA
Os sistemas de conversão de energia eléctrica proveniente de fontes renováveis, são,
inquestionavelmente, a principal linha de acção no sector, quer devido à vulnerabilidade do
mercado dos combustíveis fósseis, quer devido a uma crescente sensibilização sobre os preceitos
ambientais vigentes. A energia eólica registou um crescimento anual médio de 35% nos últimos 20
anos, tendo atingido em 2009, uma capacidade instalada de 158 GW em todo o mundo (Brown,
2011). A EWEA (European Wind Energy Association) estabeleceu como meta para o ano de 2030,
que 23% do consumo eléctrico tenha como fonte primária a energia eólica, o que indicia uma
ainda crescente competitividade tecnológica dos sistemas de conversão desta fonte energética.
1.2.1. Evolução tecnológica dos sistemas eólicos
Desde os finais da década de 90 do século passado, tem-se assistido a uma mudança dos
sistemas convencionais, caracterizados por um aproveitamento da energia do vento numa faixa
estreita de velocidades do vento – sistemas a velocidade fixa, para os sistemas a velocidade
variável.
Os sistemas a velocidade fixa baseiam-se num gerador de indução estandardizado, accionado
através de uma caixa de velocidades e ligado directamente à rede eléctrica. Independentemente
da velocidade do vento, a velocidade de rotação da máquina é, praticamente, imposta pela
frequência da rede eléctrica. As vantagens dos sistemas de conversão de energia eólica a
velocidade fixa são a sua robustez e a facilidade de exploração, quando ligados a redes eléctricas
“fortes”, com garantia de controlo estável da frequência. As desvantagens inerentes à utilização
destes sistemas são a baixa eficiência na captação de energia eólica, por utilizarem uma gama de
velocidades estreita, e a elevada fadiga dos componentes mecânicos devido às flutuações da
velocidade do vento, com repercussões na oscilação da potência eléctrica fornecida. Estes
5
sistemas requerem geralmente dispositivos de controle de energia reactiva, ligados ao estator da
máquina.
Os sistemas de conversão de energia eólica a velocidade variável são projectados para obter um
rendimento aerodinâmico máximo numa gama larga de velocidades, adaptando continuamente a
velocidade de rotação do gerador à velocidade do vento. Ao contrário dos sistemas a velocidade
fixa, os sistemas a velocidade variável mantêm o binário do gerador aproximadamente constante,
sendo as variações do vento compensadas pelas variações da velocidade do gerador (Hansen, et
al., 2004). Do ponto de vista da turbina eólica, os sistemas a velocidade variável permitem uma
redução do ruído e da fadiga mecânica dos elementos do sistema e, ainda, maximizar o
rendimento aerodinâmico, com um aumento na captação de energia média anual, atingindo
valores 10% superiores (Mutschler, Hoffmann, 2002), o que, em 20 ou 30 anos de vida útil,
representam um retorno significativo. Nesta solução, o gerador de indução duplamente alimentado
é frequentemente utilizado em sistemas com potência superior a 1,5 MW. A sua utilização
pressupõe a ligação à turbina, propriamente dita, através de uma caixa de velocidades que pode
ter múltiplas relações, já que, construtiva e funcionalmente, não é viável a utilização de um número
elevado de pólos na máquina. O seu estator é ligado directamente à rede, enquanto o rotor, com
um enrolamento trifásico bobinado, é ligado à rede através de um conversor electrónico cuja
potência é da ordem de 30% da potência nominal da máquina (Blaabjerg, et al., 2010). Esse
conversor electrónico permite o controlo do trânsito de potência com a rede e o controlo do ponto
de funcionamento do gerador, garantindo-se ajuste de velocidade na gama de aproximadamente
25% da velocidade síncrona (Bauer, et al., 2000). Para deslizamentos elevados, a energia que
seria dissipada por efeito Joule nos enrolamentos do rotor pode ser recuperada para a rede. Além
disso, o conversor permite efectuar a compensação do factor de potência e garante uma ligação
suave à rede eléctrica.
De acordo com as propostas do mercado, os sistemas a velocidade variável baseados no gerador
de indução duplamente alimentado têm obtido um sucesso considerável, com vários fabricantes a
6
proporem esta solução para sistemas com potências elevadas: Vestas (2011), Gamesa (2011),
GE Energy (2011), DeWind (2011), Mitsubishi Power Systems (2011), entre outros.
Como alternativa ao gerador de indução duplamente alimentado, aparece o gerador síncrono,
convencional ou de ímanes permanentes, com ou sem caixa de velocidades, este último caso
correspondendo a uma terceira tendência dos sistemas de conversão de energia eólica: os
sistemas com accionamento directo do gerador.
A máquina síncrona de ímanes permanentes, comparativamente ao gerador de indução
duplamente alimentado e, mesmo, à máquina síncrona convencional, apresenta um rendimento
superior, por eliminar as perdas Joule no circuito eléctrico do rotor e reduzir as do circuito do
estator, bem como uma maior fiabilidade e uma menor manutenção ao eliminar o sistema de anéis
e escovas. A banalização dos ímanes permanentes de terras raras, devido à melhoria das suas
propriedades e ao abaixamento do seu preço, permite a obtenção de máquinas economicamente
competitivas, transferindo para os restantes elementos do sistema aerogerador a viabilidade
económica da solução, com destaque para o sistema de controlo de potência já que este terá que
ser dimensionado para a potência nominal da máquina. Mas, aqui, também o decréscimo
substancial no custo dos componentes electrónicos a que se assistiu ao longo da última década,
potencia a sua utilização em larga escala sem onerar excessivamente a solução global.
Como aspecto negativo da solução, refira-se que, embora o gerador de ímanes permanentes
apresente rendimentos mais elevados, o processamento de toda a potência convertida através do
conversor electrónico agrava as perdas neste, comparativamente à solução baseada no gerador
de indução duplamente alimentado (Baroudi, et al., 2007).
Aerogeradores com máquinas síncronas de ímanes permanentes accionadas através de uma
caixa de velocidades, com potências iguais ou superiores a 2 MW, são hoje produtos de grandes
fabricantes (Vestas (2011), GE Energy (2011), DeWind (2011), WinWind (2011) e Areva (2011))
acentuando a tendência de utilização crescente da máquina por parte dos mesmos, incluindo
aqueles que, no passado, haviam baseado os seus produtos exclusivamente no gerador de
indução (Vestas e a GE Energy, nomeadamente).
7
Os sistemas de conversão de energia eólica com accionamento directo, ao dispensarem a caixa
de velocidades, eliminam também as perdas na mesma, aumentam a fiabilidade e reduzem a
necessidade de manutenção e o ruído, bem como possibilitam relações de potência/peso muito
mais favoráveis. Estas vantagens justificam, aliás, a tendência mais geral de eliminação das
caixas de velocidades em sistema electromecânicos, conduzindo a que as máquinas eléctricas
sejam, hoje e cada vez mais, projectadas para a aplicação específica a que se destinam,
afastando-se assim do conceito base de projecto e fabrico estandardizado.
Os geradores eólicos utilizados sob o conceito do accionamento directo são o gerador síncrono
excitado electricamente, como proposto pela Enercon (2011), e o gerador síncrono com o sistema
de excitação baseado em ímanes permanentes, solução que é adoptada pelos fabricantes
stxWindpowerB.V. (2011) e Lagerwey Wind (2011), e.g.. Os geradores são projectados para
baixas velocidades e elevados binários, em contraposição aos geradores estandardizados, e, por
isso, tendem a ser maiores e mais pesados, com maior volume dos materiais activos, e, também,
a terem maiores perdas, especialmente no caso de excitação convencional eléctrica.
A excitação da máquina síncrona baseada em ímanes permanentes ajuda a mitigar aquelas
tendências, ao reduzir o volume de material activo e a aumentar o rendimento da máquina, pois
elimina as perdas de excitação e de atrito nos contactos anéis escovas, e permite a redução do
passo polar, o que, por sua vez, diminui as partes não activas dos enrolamentos e as perdas Joule
associadas.
Os sistemas de conversão de energia eólica de potências médias e elevadas, na ordem dos mega
watts, sincronizados com a rede eléctrica, não devem comprometer a estabilidade do sistema
eléctrico, i.e., devem contribuir activamente para a recuperação das perturbações na rede
eléctrica, de forma similar às centrais convencionais, tendo de produzir potência activa e reactiva
para a recuperação da tensão e da frequência nominais e cumprir com os critérios da qualidade de
energia (Blaabjerg, et al., 2010; Conroy, Watson, 2007; Tremblay, et al., 2006). Nos países com
uma elevada penetração de energia eólica tem vindo a ser produzida regulamentação neste
8
sentido (Altin, et al., 2010), o que motiva uma constante investigação nos sistemas electrónicos de
potência, responsáveis pela interface entre o gerador eólico e a rede eléctrica.
Os primeiros sistemas a velocidade variável utilizavam rectificadores e conversores baseados em
díodos e tiristores, comutados pela tensão da rede, com uma frequência de comutação baixa e,
consequentemente, formas de onda com harmónicos a baixas frequências. Nestes casos, o
gerador tinha necessariamente que ter capacidade de produção de energia reactiva (gerador
síncrono convencional), ou era necessário utilizar baterias de condensadores adicionais. Na
década de 90, p.p., ficaram disponíveis os interruptores electrónicos de potência comutados por
um sinal de controlo (IGBT, e.g.) na gama de potências requeridas pelos sistemas de conversão
de energia eólica. Os conversores com estes interruptores electrónicos são capazes de controlar
as potências activa e reactiva, independentemente do gerador utilizado, e, devido à elevada
frequência de comutação, os harmónicos a baixas frequências são significativamente reduzidos.
Nas Figura 1.1 e Figura 1.2 são apresentados os esquemas de controlo dos sistemas eólicos a
velocidade variável para integração na rede eléctrica, baseados no gerador de indução
duplamente alimentado e no gerador síncrono de ímanes permanentes directamente accionado,
de acordo com as tendências tecnológicas que coexistem actualmente.
G~
DC
AC DC
AC
Rede
Transformador
FiltroConversor
Sistema de controlo da rede
Controlo da potência
Controlo da velocidade
Controlo do gerador
Controlo da rede
PWM PWMDCV IrI
conv,refredeP
rconv,refredeQ
refDCV
rede redeP Q
redeP
refredeP
Passo das pás
Caixa de velocidades Gerador de Indução
duplamente alimentado
Figura 1.1: Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador de indução duplamente alimentado [Figura
adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)].
9
G~
DC
DC DC
AC
RedeFiltro
Conversor elevador
Sistema de controlo da rede
Controlo da turbina
Controlo do gerador
Controlo da rede
PWM PWMDCV IDCI
conv,refredePr conv,ref
redeQref
DCV
rede redeP Q
redeP
refredeP
Passo das pás
DC
AC
Rectificador Conversor
Gerador síncrono de ímanes
permanentes Transformador
Figura 1.2: Sistema de conversão de energia eólica baseado no gerador síncrono de ímanes permanentes [Figura
adaptada de Blaabjerg, et al. (2010)].
Não é possível afirmar de forma determinística qual a melhor opção de acordo com critérios
económicos e/ou de fiabilidade da solução integral. Os geradores que integram as duas soluções
apresentam impactes distintos na fiabilidade e nos custos dos outros elementos, pelo que, os
estudos efectuados com os dados disponíveis até à data, não são totalmente conclusivos
(Arabian-Hoseynabadi, et al., 2010; Polinder, et al., 2006).
1.2.2. Micro e mini sistemas eólicos
As políticas governamentais de apoio à actividade de produção descentralizada de electricidade
em pequena escala, recorrendo a recursos renováveis, têm vindo a incrementar as soluções de
micro e mini produção eólica, com potências máximas atribuíveis, no caso da ligação à rede
eléctrica de serviço público, de 5,75 kW e 250 kW, respectivamente, de acordo com a legislação
portuguesa (Decreto-Lei n.º 363/2007, alterado e republicado pelo Decreto-Lei n.º 118-A/2010, no
caso da micro produção, e Decreto-Lei n.º 34/2011, no caso da mini produção).
Os sistemas de conversão de energia eólica fornecem ainda uma alternativa economicamente
viável e fiável aos grupos electrogéneos convencionais, para aplicações autónomas ou sistemas
isolados em zonas rurais (Byrne, et al., 2007). Neste tipo de aplicações é frequente recorrer a
baterias para acumular energia, devido à não simultaneidade entre a produção e o consumo (IEA,
2010).
10
O sistema de excitação do gerador eólico baseado em ímanes permanentes, devido à baixa
potência destas aplicações, não encarece em demasia o sistema de conversão e, pelas vantagens
já referidas, favorece a fiabilidade e o rendimento, reduzindo também os requisitos de
manutenção.
Nesta gama de potências, as soluções comerciais utilizam geralmente o accionamento directo do
gerador, eliminando as desvantagens inerentes à caixa de velocidades (Bergey, 2011; Zephyr,
2011). Ao contrário dos sistemas de potências superiores, o passo das pás é geralmente fixo e
são utilizados sistemas de protecção passivos relativamente a rajadas de vento (Driesen, et al.,
2005). A ligação à rede é realizada através de um conversor electrónico de potência e as turbinas
são exploradas geralmente em malha aberta, embora existam soluções com controlo do passo
das pás ou controlo da velocidade do rotor (Colet-Subirachs, et al., 2010; Rodrigo, et al., 2007).
As soluções urbanas dos sistemas de micro produção eólica surgem frequentemente associadas a
turbinas de eixo vertical (QuietRevolution, 2011; WePower, 2011), ao contrário das soluções em
médias e elevadas potências, em que é predominante a solução de eixo horizontal.
Um esquema típico para os sistemas de micro conversão de energia eólica é apresentado na
Figura 1.3.
DCV
Figura 1.3: Sistema de micro conversão de energia eólica, com sistema de protecção passivo [Figura adaptada de Bumby,
et al. (2008)].
1.2.3. Geradores de ímanes permanentes
Os geradores com o sistema de excitação baseado em ímanes permanentes são uma alternativa
promissora para os sistemas de conversão de energia eólica, quer em médias e elevadas
potências, quer em sistemas de baixas potências. Nestes sistemas, a interface com a rede (ou
com a carga) é realizada através de um conversor electrónico de potência dimensionado para a
11
potência nominal do sistema, o qual garante um completo desacoplamento entre o sistema de
geração e a rede/carga. Dependendo do grau de penetração do sistema de conversão de energia
eólica na rede, o conversor desempenha um papel mais ou menos activo no controlo da qualidade
de energia produzida. A eliminação da caixa de velocidades, através da utilização de geradores
accionados directamente, é uma solução frequentemente implementada em sistemas de baixa
potência e, tendencialmente, a ser utilizada em sistemas de média e elevada potência, pelos
requisitos de baixa manutenção e elevada fiabilidade que proporcionam, com especial importância
em aplicações em alto mar, e.g..
Nesta secção, são apresentadas as configurações das máquinas de ímanes permanentes e
alguns protótipos propostos na literatura, com potencial para os sistemas de conversão de energia
eólica, com accionamento directo.
As concepções topológicas possíveis das máquinas de ímanes permanentes são definidas através
de duas características básicas:
orientação do fluxo no entreferro relativamente ao eixo de rotação: radial ou axial;
orientação do fluxo no núcleo do estator relativamente à direcção do movimento do rotor:
transversal ou longitudinal.
As quatro combinações que resultam das características básicas classificativas das máquinas de
ímanes permanentes são apresentadas nas secções seguintes, com as designações propostas na
Tabela 1.1.
Tabela 1.1: Designações das máquinas de ímanes permanentes, de acordo com as direcções do fluxo no entreferro e no núcleo do estator.
Fluxo no entreferro
Fluxo no núcleo do estator
Designação
Radial Transversal Fluxo transversal
Axial Transversal
Radial Longitudinal Fluxo radial
Axial Longitudinal Fluxo axial
12
1.2.3.1. Geradores de ímanes permanentes de fluxo transversal
A configuração da máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Transversal (IPFT) é caracterizada
por uma estrutura complexa, com percursos de fluxo tridimensionais através de múltiplos
elementos de ferro macio laminado nas estruturas do estator e do rotor. A utilização de elementos
distintos em vez de peças únicas favorece o aumento do fluxo totalizado, o que satisfaz o princípio
da ampliação do binário (Dinyu, et al., 1999). A configuração transversal é ainda caracterizada
pela utilização de enrolamentos com a forma anular dispostos ao longo do perímetro da máquina e
que suportam uma intensidade de corrente que flui na direcção de rotação (Figura 1.4). A
obtenção de uma máquina polifásica é conseguida através da utilização de vários módulos, um
por cada fase, dispostos na direcção axial.
r
Figura 1.4: Máquina de IPFT com os ímanes dispostos na superfície rotórica [Figura original de Kastinger (2002)].
A configuração transversal da máquina de ímanes permanentes, dedicada a um sistema de
conversão de energia eólica com accionamento directo remonta à década de oitenta, p.p.,
sugerida por Weh, et al. (1988). Dubois, et al. (2002), propõem uma máquina de fluxo transversal,
com um entreferro, estator externo e rotor ranhurado no qual são dispostos os ímanes numa
disposição conducente à concentração de fluxo (Figura 1.5).
Uma configuração com os ímanes na superfície do rotor, e com núcleos de ferro no estator para
retorno do fluxo na forma de I (Figura 1.6) é proposta por Blissenbach e Viorel (2003) e por
Svechkarenko, et al. (2009).
13
1 2
3 3
4
5
1 – Estator2 – Concentrador de fluxo3 – Ímanes permanentes4 – Estrutura do rotor dentado5 – Dente do rotor
Figura 1.5: Máquina de IPFT com concentração de fluxo [Figura original de Dubois, et al. (2002)].
Um trabalho recente de Jianhu, et al. (2009), apresenta uma máquina de fluxo transversal em que
os ímanes e o enrolamento são dispostos na parte estática da máquina, sendo o rotor composto
unicamente por núcleos de ferro magnético com uma disposição tal que o sentido do fluxo
totalizado no enrolamento inverte o seu sentido continuamente com o movimento do rotor (Figura
1.7).
Figura 1.6: Máquina de IPFT com os ímanes dispostos na superfície do rotor e núcleos de ferro do estator para retorno do
fluxo [Figura original de Blissenbach, Viorel (2003)].
Em oposição ao fluxo radial no entreferro das máquinas de fluxo transversal apresentadas, uma
configuração modular da máquina de IPFT com fluxo axial nos entreferros da máquina, foi
proposta por Muljadi, et al. (1999), de acordo com a Figura 1.8.
14
Figura 1.7: Máquina de IPFT com fluxo comutado; (a) representação tridimensional de um par de pólos; (b) princípio da
comutação de fluxo [Figuras originais de Jianhu, et al. (2009)].
1
1 – Núcleo do rotor2 – Veio 3 – Enrolamento4 – Núcleo do estator
234
Figura 1.8: Máquina de IPFT com o fluxo nos entreferros na direcção axial [Figura original de Muljadi, et al. (1999)].
As máquinas de fluxo transversal apresentam como principal vantagem o facto das dimensões dos
circuitos magnético e eléctrico serem independentes, ou seja, o espaço disponível para os
enrolamentos é independente do passo polar empregue na máquina, o que permite a utilização de
passos polares reduzidos e elevadas densidades de corrente. Em consequência, a densidade de
binário da configuração transversal é superior à das máquinas de fluxo longitudinal, onde o espaço
disponível para alojar os enrolamentos é dependente do passo polar e uma redução deste conduz
a uma redução da densidade linear de corrente. Dubois (2004) defende que a densidade de
corrente de uma máquina de ímanes permanentes de fluxo transversal pode atingir valores até
dez vezes superiores que a densidade de corrente numa máquina de fluxo longitudinal. De
salientar que o aumento da densidade de corrente não se reflecte linearmente na densidade de
binário. De forma qualitativa, é possível aferir que uma densidade de corrente elevada acarreta
uma reacção do induzido também elevada, com implicações na indução de trabalho dos ímanes,
15
deslocando o ponto de funcionamento para valores mais próximos da coercividade, a que
corresponde uma indução magnética inferior.
Outra vantagem desta configuração é a redução das perdas Joule nos enrolamentos da máquina,
devido à ausência de partes dos enrolamentos não activas, inevitáveis nas configurações
baseadas no fluxo longitudinal. Em contraposição à simplicidade construtiva dos enrolamentos,
dispostos na forma anular, toda a estrutura mecânica da máquina é complexa, com várias
dificuldades na sua implementação, como por exemplo, a dependência da posição dos ímanes
das tolerâncias mecânicas de outras peças rotóricas e o número de partes individuais a manipular.
Um problema comum a todas as topologias da máquina de IPFT é o baixo factor de potência em
regime nominal. Valores típicos encontram-se na gama de 0,35 a 0,53 (Zhao, Chai, 2005) sendo
referenciados valores ligeiramente superiores apenas na topologia com concentração de fluxo. O
factor de potência destas máquinas é, de forma simplificada, decrescente com o aumento da
razão sIX E , sendo I a intensidade de corrente numa fase da máquina, sX a reactância
síncrona (admitindo a isotropia magnética associada à disposição dos ímanes na superfície
rotórica) e E a força electromotriz (fem) induzida (Harris, et al., 1997). O baixo factor de potência
acarreta um aumento de perdas Joule nos enrolamentos, assim como um sobredimensionamento
do conversor electrónico de potência, contrariando assim a vantagem associada à elevada
densidade de binário desta configuração.
1.2.3.2. Geradores de ímanes permanentes de fluxo radial
Os geradores de Ímanes Permanentes de Fluxo Radial (IPFR) projectados para os sistemas
eólicos, com accionamento directo, utilizam geralmente os ímanes dispostos na superfície rotórica.
A utilização dos ímanes embutidos no ferro magnético do rotor tem como vantagem a
concentração do fluxo no entreferro, o que permite obter induções superiores às induções de
remanência dos ímanes. A disposição dos ímanes embutidos de acordo com a Figura 1.9 (a) não
é favorável para aplicações com um elevado número de pólos, pois o espaço disponível para os
ímanes é reduzido, conduzindo a um elevado fluxo de fugas e à saturação das pontes de ferro
16
macio; estes efeitos são minorados na disposição dos ímanes embutidos de acordo com a Figura
1.9 (b).
d
q
d
q
Figura 1.9: Configuração radial com os ímanes embutidos na estrutura rotórica, com concentração de fluxo; (a) ímanes dispostos em V; (b) ímanes com magnetização tangencial ao entreferro.
O gerador de IPFR surge na literatura com duas topologias básicas: estator externo e rotor externo
(Figura 1.10). A topologia com o rotor externo, favorece o espaço disponível para acomodar a
estrutura multipolar, mas em contrapartida o comportamento térmico da máquina é prejudicado,
sendo necessário recorrer a sistemas de arrefecimento forçado para extrair o calor originário nas
perdas no estator interno. Na última década, a topologia com o rotor externo é sugerida
frequentemente na literatura, em detrimento da topologia com o estator externo, proposta em
alguns trabalhos da década de noventa (Chen, Spooner, 1995; Lampola, Perho, 1996; Spooner,
Williamson, 1996).
1
2
(a) (b)
1
2
3 3
Enrolamento
Íman permanente
1 – Rotor2 – Estator3 – Veio
Figura 1.10: Máquina de IPFR multipolar; (a) estator externo; (b) rotor externo.
Spooner, et al (2005) propõem uma solução radial com o rotor a ocupar a posição externa e o
estator interno, ambos os elementos sem ferro magnético, preconizando uma solução com peso
reduzido (Figura 1.11). A indução de trabalho na área dos enrolamentos é baixa, da ordem de
0,25 T, mas os autores argumentam que o factor decisivo é o elevado diâmetro que o gerador
17
pode atingir, devido à substancial redução do peso da solução final, da ordem de 20 a 30%
relativamente a projectos equivalentes baseados em estatores com ferro magnético. O protótipo
utiliza 108 pólos e é anunciada uma potência de 11,1 kW.
Figura 1.11: Secção transversal de um gerador de IPFR sem ferro magnético [Figura original de Spooner, et al. (2005)].
Uma outra proposta de um gerador para accionamento directo utiliza uma estrutura com duplo
entreferro, estator interno (Mueller, McDonald, 2009). A inovação proposta pelos autores é a
redução do peso dos elementos estruturais, que, nesta solução, só têm que suportar o peso dos
materiais activos. O estator não contém material ferromagnético e os enrolamentos são
suportados numa estrutura não magnética epóxi. Os ímanes são dispostos numa estrutura em
ferro magnético, com a forma exemplificada na Figura 1.12. As forças atractivas entre o rotor e o
estator são eliminadas, o que simplifica o processo de montagem. A indução magnética na área
dos enrolamentos é 0,56 T, e o protótipo construído é de 20 kW, 100 min-1.
1 – Enrolamento2 – Ímanes permanentes3 – Núcleo de ferro do rotor4 – Suporte do estator
1
2 34
Figura 1.12: Secção longitudinal de um gerador IPFR com duplo entreferro, estator interno [Figura original de Mueller e
McDonald (2009)].
A topologia com o rotor externo é também adoptada por Jian, et al. (2009), na qual é integrado no
espaço interno um gerador de velocidade elevada com uma caixa de velocidades coaxial,
18
obtendo-se uma solução final complexa, contrariando a simplificação associada ao conceito de
accionamento directo.
Outra configuração com o rotor externo é proposta por Liu, et al. (2008), numa configuração
híbrida com excitação eléctrica (DC) e ímanes permanentes, dispostos num estator interno. Um
segundo estator, exterior ao que contém os sistemas de excitação, contém o enrolamento
polifásico. Os autores defendem a solução da dupla excitação de forma a permitir uma tensão
constante na gama de velocidades variável de accionamento do gerador.
1.2.3.3. Geradores de ímanes permanentes de fluxo axial
A estrutura axial da máquina de ímanes permanentes fornece uma alternativa viável à estrutura
radial em aplicações a baixas velocidades. A densidade de binário da máquina de IPFA é superior
à da máquina de IPFR em configurações com um número de pólos elevado, pese embora o maior
volume de material magnético permanente geralmente associado à configuração axial (Chen, et
al., 2005; Sitapati, Krishman, 2001).
As primeiras propostas do gerador de IPFA para os sistemas de conversão de energia eólica com
accionamento directo, surgiram na década de 90, p.p.. Söderlund, et al. (1996) e posteriormente
Chalmers e Spooner (1999) propuseram a topologia axial com duplo entreferro e estator
ferromagnético laminado interno sem ranhuras com um enrolamento toroidal, na gama de
potências de 5 a 10 kW.
Um gerador para micro sistemas de conversão de energia eólica de 1 kW a 300 min-1 é
apresentado por Bumby e Martin (2005). A topologia proposta é de duplo entreferro, estator
interno, com enrolamentos concentrados dispostos numa estrutura sem ferro, o que reduz o peso
da máquina.
A potencial aplicação de materiais magnéticos macios compósitos nas estruturas estatóricas das
máquinas de fluxo axial para sistemas de conversão de energia eólica foi discutida por Chen e
Pillay (2005).
19
A estrutura axial com um entreferro proposta por Parviainen, et al. (2005) tem como principal
desvantagem o não balanceamento das forças axiais entre o ferro do estator e os ímanes
permanentes.
O gerador eólico proposto por Chan e Lai (2007) utiliza a topologia de duplo entreferro, estator
interno sem ferro magnético, e uma estrutura rotórica externa em ferro magnético com ímanes
permanentes apenas num dos lados, o que resulta numa densidade de potência baixa
comparativamente às soluções em que os dois entreferros são utilizados activamente na produção
de binário. O peso total dos materiais activos utilizados no protótipo é 3,36 kg e a potência
nominal, a 60 Hz, é 230 W.
A estrutura de duplo entreferro, estator interno é ainda proposto por Brisset, et al. (2008). O
enrolamento do estator é concentrado, com nove fases, igualmente distribuídas no espaço
geométrico da máquina, dispostas numa configuração correspondente a três estrelas. A utilização
do enrolamento polifásico é motivada pelo aumento da potência, associada ao sistema electrónico
de potência, através do estabelecimento em paralelo de três conversores trifásicos modulares
convencionais (Vizireanu, et al., 2005).
A estrutura axial, nas suas variantes topológicas e consequências funcionais, são discutidas em
detalhe no Capítulo 2.
1.3. OBJECTIVOS E CONTRIBUIÇÕES DO TRABALHO
A geometria da máquina de IPFA introduz variáveis de projecto e opções construtivas que
dificultam e encarecem o processo de fabrico, condicionando a sua adopção de forma massiva.
Em comparação com as máquinas de IPFR, as soluções comerciais de máquinas de IPFA são
muito mais raras, sendo óbvio que os procedimentos para o seu projecto e fabrico estão ainda em
desenvolvimento. O projecto de uma máquina eléctrica é, pela complexidade e interdependência
de fenómenos electromagnéticos, térmicos e mecânicos, um processo recursivo complexo.
20
É neste contexto e com o enquadramento dado nas secções anteriores que se estabeleceram os
dois principais objectivos que se pretendem alcançar com a realização do presente trabalho:
1. Desenvolvimento de uma rotina de projecto da máquina de IPFA que integre as
particularidades geométricas da configuração axial e reflicta as interacções
electromagnéticas e térmicas, e contribua para a definição de ferramentas de projecto mais
eficazes e para o desenho de máquinas de IPFA melhoradas.
2. Construção de um protótipo de uma máquina de IPFA, com variáveis de projecto orientadas
para o funcionamento da máquina como gerador eólico directamente accionado, avaliando a
exequibilidade da configuração axial para aplicações de baixa velocidade.
As contribuições científicas que se desejam reunidas neste trabalho são sumariadas nos seguintes
moldes:
estudo comparativo entre as densidades de binário das configurações axial e radial em
função do número de pólos da máquina;
estudo e síntese da integração dos materiais magnéticos permanentes nas máquinas
eléctricas de fluxo axial, considerando os efeitos da temperatura e da reacção do induzido
desmagnetizante;
adaptação de metodologias de projecto clássicas à configuração axial da máquina de
ímanes permanentes de duplo entreferro, rotor interno, e esclarecimento do domínio de
validade das mesmas através do recurso à simulação pelo Método dos Elementos Finitos
(MEF) e da experimentação laboratorial do protótipo desenvolvido;
inclusão do comportamento térmico na rotina de projecto da máquina de IPFA.
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO
Para além desta introdução, onde se caracteriza o estado de arte dos sistemas de conversão de
energia eólica e os geradores de ímanes permanentes, se enquadram e justificam as motivações
21
e se fixam os objectivos do trabalho, o corpo da dissertação está organizado em capítulos cujos
conteúdos são apresentados, sumariamente, nesta secção.
No capítulo dois é apresentado o estado de arte da máquina de IPFA, caracterizando as suas
variantes construtivas e principais consequências funcionais. Cumulativamente, é apresentada
uma sinopse dos materiais magnéticos permanentes de terras raras e macios, atendendo a que a
evolução das máquinas eléctricas, nos seus aspectos construtivos e funcionais, é, em parte,
ditada pelo desenvolvimento daqueles mesmos materiais.
O terceiro capítulo apresenta os fundamentos da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial,
descrevendo o princípio do funcionamento electromagnético e os modos de funcionamento
sinusoidal e quadrilateral. São ainda derivadas as equações dimensionais do projecto preliminar
da máquina, que fornecem a teoria subjacente a uma análise comparativa, em função das
densidades de binário, entre as máquinas de ímanes permanentes de fluxo axial e radial.
O quarto capítulo é dedicado ao projecto da máquina de IPFA, utilizando ferramentas analíticas. É
analisado o funcionamento dinâmico dos ímanes permanentes, imposto pela variação da
temperatura de funcionamento e da linha de carga do circuito magnético. O projecto magnético da
estrutura de duplo entreferro, rotor interno, é analisada através de uma rede de relutâncias
variáveis com o nível de saturação do ferro da máquina e incorporando a modelação dos fluxos de
fugas dos ímanes e do entreferro. O dimensionamento dos materiais activos do estator resulta da
interacção entre os resultados do projecto magnético e do projecto eléctrico, estabelecendo, este
último, o dimensionamento dos enrolamentos e a estimação dos parâmetros eléctricos
associados.
No quinto capítulo são caracterizadas as perdas na máquina de IPFA e é proposto um modelo
analítico para a previsão do seu comportamento térmico em regime permanente, utilizando uma
rede de resistências térmicas. A relação recursiva entre as perdas e o gradiente da temperatura da
máquina é iterada com o projecto electromagnético até que a sobrelevação da temperatura seja
admissível do ponto de vista dos materiais isolantes a utilizar na máquina.
22
Definido o projecto electromagnético da máquina de IPFA com base na teoria descrita nos
capítulos anteriores, reúnem-se condições para um projecto complementar, assistido pelo Método
dos Elementos Finitos (MEF). Esta ferramenta de análise, embora não substitua a macro
perspectiva do projecto analítico, faculta meios para uma análise electromagnética detalhada e o
ajuste de variáveis de projecto, em função de características específicas que se pretendam obter.
O recurso ao MEF é explorado no capítulo seis, através de uma análise bidimensional da máquina
de IPFA. O cálculo dos binários de ranhura e electromagnético é introduzido através do método do
tensor de tensões de Maxwell. É ainda explorada a optimização do volume de material magnético
permanente em função do fluxo totalizado em vazio, o que permite propor coeficientes polares
eficientes para as máquinas de ímanes permanentes.
O capítulo sete apresenta o processo construtivo e a experimentação laboratorial do protótipo
construído, o que permite aferir o domínio de validade das metodologias de projecto propostas nos
capítulos anteriores.
Finalmente, no capítulo oito, são apresentadas as principais conclusões do trabalho realizado e
sugeridas linhas de investigação futuras.
23
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CAPÍTULO 2
ESTADO DE ARTE DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
28
ÍNDICE
2. Estado de Arte da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial .................................... 29
2.1. Introdução ............................................................................................................................... 29
2.2. Desenvolvimento das Máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial ............................ 29
2.3. Configurações e Variantes Construtivas da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial
................................................................................................................................................ 31
2.3.1. Estrutura com um entreferro ................................................................................................ 33
2.3.2. Estrutura com duplo entreferro e estator interno ................................................................. 34
2.3.3. Estrutura com duplo entreferro e rotor interno .................................................................... 38
2.3.4. Estruturas rotóricas .............................................................................................................. 39
2.3.5. Estruturas estatóricas .......................................................................................................... 41
2.4. Materiais Magnéticos Permanentes ....................................................................................... 43
2.4.1. Propriedades básicas do magnetismo permanente ............................................................ 43
2.4.1.1. Magnetização e ciclo histerético ....................................................................................... 44
2.4.1.2. Energia nos processos de magnetização e desmagnetização ......................................... 47
2.4.2. Evolução histórica dos materiais magnéticos ...................................................................... 50
2.4.3. Materiais magnéticos permanentes de terras raras ............................................................ 52
2.5. Materiais Magnéticos Macios ................................................................................................. 56
2.6. Resumo .................................................................................................................................. 62
Referências ....................................................................................................................................... 63
29
2. ESTADO DE ARTE DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
2.1. INTRODUÇÃO
Este capítulo sumariza o desenvolvimento da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial e
apresenta os aspectos construtivos que a caracterizam, tipificados nas suas variantes. Para cada
uma dessas variantes são apresentadas as diferentes topologias e as principais consequências
funcionais. A evolução das máquinas eléctricas nos seus aspectos construtivos é em parte ditada
pela evolução dos materiais activos, sendo aqui destacada a evolução e a caracterização dos
materiais magnéticos duros e macios. Dos materiais magnéticos duros ou permanentes, é dado
especial relevo aos ímanes baseados em terras raras, de neodímio ferro e boro (NdFeB). No que
concerne aos materiais magnéticos macios, destacam-se os materiais utilizados na gama de
baixas frequências, na solução clássica dos aços laminados de ferro e silício, assim como os
materiais magnéticos macios compósitos, introduzidos recentemente nesta banda de frequências.
2.2. DESENVOLVIMENTO DAS MÁQUINAS DE ÍMANES PERMANENTES DE
FLUXO AXIAL
A primeira máquina eléctrica, construída por M. Faraday em 1831, apresentava uma configuração
em forma de disco, com o fluxo magnético na direcção axial. A construção em forma de disco
também aparece nas patentes de N. Tesla, em 1889. Todavia, após a primeira patente de uma
máquina de fluxo radial, em 1837, registada por T. Davenport, esta configuração foi aceite como
dominante para as máquinas eléctricas (Gieras, et al., 2004).
As razões que levaram a secundarizar a configuração que conduz a um fluxo axial foram
essencialmente dificuldades na montagem e fabrico de estatores laminados, na manutenção de
30
um entreferro constante em diâmetros consideráveis e nas forças de atracção axiais entre o
estator e o rotor.
A partir da década de 80 do século passado, a tecnologia de fluxo axial surgiu novamente com
grande potencial em resposta à tendência conceptual dos produtos eléctricos integrados.
De uma forma generalista, qualquer princípio de funcionamento de uma máquina eléctrica de fluxo
radial tem correspondência na configuração axial, resultando daí uma viabilidade técnica e
económica mais ou menos favorável, dependendo das tecnologias de fabrico envolvidas.
As máquinas de corrente contínua na configuração de fluxo axial são pouco frequentes, pois os
requisitos de manutenção e o nível de fiabilidade prevalecem nos mesmos níveis que na
configuração radial.
A máquina de indução axial apresenta alguns constrangimentos na implementação dos elementos
rotóricos e na inserção dos condutores naqueles, com os materiais activos tradicionais (Kubzdela,
Weglinski, 1988). As tecnologias de fabrico e os materiais necessários à implementação da
configuração, cumulativamente com o princípio da indução, têm limitado a vulgarização da
máquina de indução de fluxo axial. Embora existam soluções comerciais da máquina de indução
de fluxo axial, como as propostas pela BrookCrompton (2007), estas estão limitadas a baixas ou
médias velocidades, porque a estrutura do rotor torna-se muito frágil a velocidades elevadas.
No que concerne aos sistemas de excitação das máquinas síncronas, muitas das experiências de
Barlow, Franklin e Henry, entre outros, que demonstraram as interacções electromagnéticas e
estabeleceram as bases para o desenvolvimento das máquinas eléctricas, no início do século XIX,
foram realizadas com ímanes permanentes. As características fracas dos aços magnéticos
permanentes disponíveis na época inviabilizaram o sucesso comercial das primeiras máquinas
eléctricas baseadas em ímanes permanentes e estes foram substituídos por enrolamentos
indutores, que constituíram a solução dominante durante grande parte do século XX.
Nas últimas décadas, vários fabricantes introduziram, com sucesso, os ímanes permanentes nas
máquinas eléctricas de baixa e média potência. É geralmente aceite que o desenvolvimento
31
tecnológico dos materiais magnéticos permanentes baseados em terras raras constitui a principal
força motriz para a exploração de novas topologias de máquinas eléctricas.
A evolução topológica das máquinas eléctricas é também consequência da maturação dos
sistemas de conversão electrónica de energia, que permitem dissociar o projecto da máquina da
frequência e da tensão da rede e o orienta para a aplicação em causa (Bolognani, et al., 2004),
numa perspectiva de produto eléctrico integrado. O gerador directamente accionado pela turbina,
nos sistemas de conversão de energia eólica (Chan, Lai, 2007) ou a solução multi-motor para a
tracção eléctrica, em que cada motor é parte integrante das rodas (Chau, et al., 2008), são
exemplos da integração das máquinas eléctricas nas aplicações a que se destinam, afastando
aquelas dos conceitos estandardizados.
No conceito de produto eléctrico integrado, as máquinas eléctricas são projectadas e optimizadas
para eliminar materiais e dispositivos de interface, reduzir os custos e o atravancamento da
solução global. Esta concepção não é só uma integração mecânica com poupanças nos
componentes intervenientes, peso e custos associados, mas também é uma solução balanceada
pelo comportamento térmico ditado pelo ambiente em que se inserem, o que pode permitir um
dimensionamento mais favorável da máquina eléctrica, dado que a potência nominal é dependente
do sistema de arrefecimento.
Na tendência actual de produtos eléctricos integrados, as máquinas de ímanes permanentes de
fluxo axial apresentam-se particularmente interessantes atendendo às geometrias em que são
realizáveis e à maior densidade de binário que as caracteriza.
2.3. CONFIGURAÇÕES E VARIANTES CONSTRUTIVAS DA MÁQUINA DE
ÍMANES PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
As máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA) são caracterizadas por uma
distribuição do fluxo no entreferro paralelo ao eixo da máquina, em contraposição às máquinas de
fluxo radial em que aquele atravessa o entreferro paralelamente ao raio da máquina. A excitação
magnética é obtida por ímanes permanentes dispostos na parte rotativa da máquina. As unidades
32
rotóricas tem uma configuração em forma de disco enquanto as unidades estatóricas, onde são
dispostos os enrolamentos, apresentam uma configuração na forma de anel.
O comprimento radial útil da máquina de IPFA, desde o raio interno até ao raio externo do estator,
define a parte activa da máquina onde tem lugar a conversão electromecânica de energia. O
comprimento axial é dependente da indução magnética nos núcleos de ferro do estator e/ou rotor.
À medida que o número de pólos da máquina aumenta, o comprimento radial útil mantém-se mas
o comprimento axial pode diminuir, ou seja, o material ferromagnético pode ser totalmente
utilizado quer na dimensão radial, quer na dimensão axial, ao contrário do que acontece na
máquina de ímanes permanentes de fluxo radial, onde a dimensão radial do núcleo rotórico é
imposta pelo diâmetro do entreferro, sem uma utilização efectiva de todo o material ferromagnético
aí presente. Assim, o aumento da densidade de potência das máquinas de IPFA relativamente às
máquinas de ímanes permanentes de fluxo radial torna-se mais evidente para um elevado número
de pólos, associado a aplicações de baixas velocidades, como se demonstrará no Capítulo 3.
Existem três configurações básicas das máquinas de IPFA, atendendo à posição do(s) estator(es)
relativamente à(s) do(s) rotor(es). As estruturas básicas são:
estrutura com um entreferro, Figura 2.1 (a),
estrutura com duplo entreferro, estator interno, Figura 2.1 (b) e
estrutura com duplo entreferro, rotor interno, Figura 2.1 (c).
Figura 2.1: Configurações básicas das máquinas de IPFA. (a) Estrutura com um entreferro. (b) Estrutura com duplo
entreferro, estator interno. (c) Estrutura com duplo entreferro, rotor interno.
33
O limite superior da potência com que as máquinas de IPFA são realizáveis é imposto pelo
diâmetro máximo admissível que, por sua vez, é dependente de factores como as forças axiais
suportadas pelos rolamentos, a integridade da ligação mecânica entre o disco rotórico e o veio e o
comprimento axial do entreferro. A solução modular, como a representada na Figura 2.2, permite
obter níveis de potência elevados sem comprometer o diâmetro máximo admissível. Esta solução
é proposta por Caricchi, et al. (1999), Muljadi, et al. (1999) e El-Hasan, et al. (2000), entre outros.
Figura 2.2: Estrutura modular da máquina de IPFA, com dois estatores e três discos rotóricos.
As particularidades das configurações básicas da máquina de IPFA, assim como as características
funcionais que resultam da disposição e especificidades dos elementos que as integram, são
apresentadas nas secções seguintes.
2.3.1. Estrutura com um entreferro
A estrutura com um entreferro (Figura 2.1 (a)) foi inicialmente proposta por Campbell (1974). Nesta
configuração, os núcleos do estator e do rotor são formados por material ferromagnético de forma
a reduzir a relutância do circuito magnético. A grande desvantagem desta configuração reside na
força axial não balanceada que se estabelece entre o ferro do estator e os ímanes no rotor que
tem que ser considerada no projecto mecânico. Num protótipo com esta estrutura, de 1,6 kW, em
vazio, a força axial foi estimada em 6800 N (Parviainen, Kontkanen, 2005). Para prevenir
deslocações na direcção axial, é necessário utilizar rolamentos complexos e para evitar deflexões
excessivas do disco do rotor, a espessura deste pode ter que ser aumentada em relação ao
34
imposto pelo projecto magnético. Opcionalmente, pode-se utilizar um disco adicional com o único
objectivo de balancear as forças de atracção axiais, como proposto por Chen (2004). A topologia
obtida, com apenas um dos dois entreferros activo, além de obedecer a um projecto delicado,
reduz drasticamente a densidade de potência da máquina. As estruturas com duplo entreferro
usufruem da vantagem do cancelamento das forças axiais entre o rotor e o estator.
2.3.2. Estrutura com duplo entreferro e estator interno
A estrutura com duplo entreferro e estator interno (Figura 2.1 (b)), também denominada de
estrutura toroidal, tem os enrolamentos dispostos num estator interno com ou sem ranhuras
(Huang, et al., 2001; Lukaniszyn, et al., 2000; Söderlund, et al., 1997).
Um inconveniente desta configuração é a fixação do estator à estrutura fixa da máquina, que, pela
sua posição interna, a torna complexa. A dissipação do calor devido às perdas Joule é também
dificultada. As perdas devidas ao atrito são mais pronunciadas, pois existem dois discos em
rotação (Chen, Pillay, 2005).
Quando os ímanes são dispostos nas superfícies rotóricas, as linhas de fluxo útil no ferro do
estator podem obedecer a percursos circunferenciais, numa topologia Norte-Norte, ou axiais, com
a topologia Norte-Sul, representados na Figura 2.3, através de sectores axiais planificados num
determinado raio da máquina.
Figura 2.3: Percursos do fluxo útil para a estrutura com duplo entreferro, estator interno. (a) Topologia Norte-Norte. (b)
Topologia Norte-Sul.
As topologias Norte-Norte e Norte-Sul diferem essencialmente no comprimento axial do estator e
na disposição dos enrolamentos. Na estrutura Norte-Norte (Figura 2.3 (a)) o volume de ferro do
35
estator é superior, e embora o enrolamento seja realizável numa disposição toroidal, caracterizada
por extensões dos condutores não activos (ou testas dos enrolamentos) pequenas, o maior
comprimento axial contraria essa vantagem. Na estrutura Norte-Sul (Figura 2.3 (b)), como o fluxo
atravessa o estator na direcção axial, o volume de ferro necessário é menor (teoricamente
desnecessário), pelo que as perdas no ferro e o comprimento axial da máquina são inferiores. Em
contrapartida, é necessário utilizar enrolamentos imbricados para que as correntes fluam no
mesmo sentido em cada superfície activa do estator, o que leva a um aumento da extensão dos
condutores não activos, com consequências negativas nas perdas Joule e no diâmetro externo
(Huang, et al., 2001).
A utilização de estatores com núcleos de ferro sem ranhuras requer estruturas magnéticas tipo
Norte-Norte pois os enrolamentos são, necessariamente, toroidais (Figura 2.4). Com os
enrolamentos nesta disposição, podem ainda ser utilizados ímanes permanentes adicionais na
parte circunferencial do rotor ou ímanes em forma de U (Figura 2.5). Esta disposição dos ímanes
abrange o enrolamento estatórico por três lados e só a parte interna do enrolamento, paralela ao
veio, não contribui para a produção de binário electromagnético (Lukaniszyn, et al., 2000).
Íman permanente
Enrolamento
SN Direcção de magnetização
Figura 2.4: Topologia Norte-Norte para a estrutura com duplo entreferro, estator interno sem ranhuras.
Figura 2.5: Estrutura toroidal com ímanes adicionais na parte circunferencial do rotor.
36
Nos exemplos apresentados, as estruturas rotóricas têm um núcleo de ferro macio para o retorno
do fluxo. A colocação dos ímanes no rotor, numa disposição denominada de fila de Halbach,
permite dispensar os núcleos de ferro no rotor para o retorno do fluxo (Jennane, et al., 2004;
Lovatt, et al., 1998).
O conceito base da fila de Halbach consiste na rotação contínua da direcção de magnetização ao
longo da fila de ímanes. Na prática, a fila de Halbach é obtida através de segmentos de ímanes
pré-magnetizados com direcções de magnetização que aproximam a distribuição requerida; o
ângulo entre os vectores de magnetização de ímanes adjacentes pode ser de 30º, 45º, 60º ou 90º.
A fila de Halbach permite obter induções magnéticas no entreferro praticamente sinusoidais, como
exemplificado na Figura 2.6, para a estrutura de uma máquina de IPFA com duplo entreferro,
estator interno.
Em alternativa aos segmentos de ímanes, pode-se utilizar material magnético duro obtido por
consolidação de material pulverizado com uma matriz polimérica1, posteriormente magnetizada
por um campo sinusoidal (Zhu, et al., 2000).
xB
yB
B T
x m
(b)(a)
Figura 2.6: Máquina de IPFA duplo entreferro, estator interno com os ímanes dispostos em filas de Halbach, com direcções
de magnetização a 90º. (a) A indução magnética concentra-se no interior da estrutura. (b) Componentes da indução magnética no espaço do estator.
Comparativamente à disposição convencional dos ímanes, em que estes são dispostos na
superfície rotórica com polaridade alternada, em condições de igualdade de volume de material
magnético permanente, a fila de Halbach permite obter uma amplitude da componente
1 “Bonded magnets”, na literatura anglo-saxónica.
37
fundamental da indução magnética superior, o que preconiza um aumento da densidade de
potência da máquina (Gieras, et al., 2004). O inconveniente associado é o elevado custo que este
tipo de arranjo magnético implica na solução global. Ramsden, et al. (1999) concluíram que a
utilização da fila de Halbach acarreta um custo três vezes superior à utilização da disposição
convencional, com a salvaguarda de que essa diferença pode ser reduzida em mercados cujo
volume justifique a automatização dos processos de fabrico. A Figura 2.7 representa uma máquina
de IPFA com os ímanes dispostos em fila de Halbach.
Figura 2.7: Construção de uma máquina de IPFA trifásica, 8 pólos, sem ferro magnético, com os ímanes dispostos em fila de Halbach. (a) Disco rotórico. (b) Enrolamento estatórico. (c) Disco rotórico e enrolamento estatórico. (d) Discos rotóricos
e enrolamento estatórico no interior (Gieras, et al., 2004, p. 191).
A alternativa à disposição dos ímanes nas superfícies rotóricas, consiste em embutir aqueles no
ferro do rotor, de acordo com o representado na Figura 2.8. Neste caso, os ímanes apresentam
formas regulares e são dispostos nas estruturas rotóricas tal que a sua magnetização seja paralela
ao entreferro. Dependendo da disposição dos enrolamentos no estator interno, é possível obter
topologias Norte-Norte ou Norte-Sul.
38
Figura 2.8: Estrutura com duplo entreferro, estator interno, com os ímanes embutidos nos rotores. (a) Secção transversal
de um disco rotórico. (b) Sector axial planificado.
2.3.3. Estrutura com duplo entreferro e rotor interno
A máquina de fluxo axial com duplo entreferro e rotor interno é construtivamente simples de
implementar, pela fixação fácil dos estatores à carcaça da máquina. O rotor, na posição interna,
pode ter os ímanes dispostos nas superfícies (Figura 2.9 (a)) ou embutidos na estrutura (Figura
2.9 (b)), com as linhas de fluxo útil na direcção axial ou circunferencial, respectivamente.
A disposição dos ímanes nas superfícies rotóricas dispensa o núcleo de material ferromagnético,
sendo unicamente necessário um disco de material não magnético para suportar os ímanes. A
esta disposição dos ímanes corresponde um comprimento axial da máquina pequeno e o peso dos
materiais activos é consideravelmente inferior, factor que é favorável ao aumento da densidade de
potência comparativamente à disposição dos ímanes embutidos no rotor.
(a) (b)
Íman permanenteEnrolamento
SN Direcção de magnetização
Figura 2.9: Percursos do fluxo útil para a estrutura com duplo entreferro, rotor interno. (a) Ímanes na superfície rotórica. (b)
Ímanes embutidos no rotor.
Os enrolamentos dos dois estatores podem ser ligados em paralelo ou em série. A ligação em
série permite que um estator seja rodado de um determinado ângulo relativamente ao outro
(geralmente meio passo de ranhura), o que resulta num conteúdo harmónico da fmm inferior. A
39
ligação em paralelo implica que as ranhuras de um estator estejam exactamente opostas às
ranhuras do outro estator, para evitar elevadas correntes de circulação (Platt, 1989).
2.3.4. Estruturas rotóricas
Os rotores apresentam algumas singularidades que variam com a estrutura da máquina de IPFA
adoptada e com a disposição dos ímanes permanentes naquelas. Os núcleos do rotor, se de
material ferromagnético, são geralmente de ferro maciço uma vez que, em regime permanente
sinusoidal, não são expostos à variação da componente fundamental do fluxo e o processo de
fabrico fica simplificado (Profumo, et al., 2002). Quando é dispensável a presença de um material
ferromagnético para conduzir o fluxo, é frequente recorrer a uma estrutura em alumínio para
suporte dos ímanes, que, além do comportamento paramagnético, tem massa específica baixa e
resistência mecânica elevada, ou outro material com características equivalentes.
Os ímanes embutidos na estrutura rotórica conduzem a um arranjo com concentração de fluxo, ou
seja, a indução magnética no entreferro pode ser superior à indução de remanência dos próprios
ímanes. Embora o processo de fabrico seja mais complexo, para um determinado nível de indução
magnética no entreferro, é possível utilizar ímanes permanentes mais baratos ou um volume de
material magnético permanente menor. Esta disposição permite ainda uma protecção mais eficaz
de ímanes permanentes susceptíveis de corrosão, como os ímanes de NdFeB sinterizados, além
de garantir uma estrutura rotórica mais sólida em aplicações a velocidades elevadas.
Na disposição dos ímanes embutidos numa estrutura ferromagnética, o fluxo de fugas nas
extremidades daqueles é elevado. Se a magnetização e a espessura dos ímanes forem
constantes, podem surgir desequilíbrios significativos no valor de indução magnética ao longo do
raio útil da máquina e saturação excessiva no raio interno, por estarem mais próximos neste e
mais afastados no raio externo.
Nas configurações com os ímanes colocados na superfície rotórica a reacção do induzido é
relativamente pequena pois os ímanes são caracterizados por uma permeabilidade relativa
próxima da unidade, o que se traduz num aumento do entreferro equivalente. Utilizando os ímanes
40
embutidos, a reacção do induzido faz-se sentir mais intensamente, o que pode cancelar as
vantagens inerentes da concentração de fluxo. Uma tentativa de reduzir a reacção do induzido na
estrutura com os ímanes embutidos consiste na utilização de barreiras de fluxo que aumentam a
relutância dos percursos do fluxo de reacção do induzido transversal, de acordo com a Figura 2.10
(Weh, et al., 1984). Esta solução torna o processo de fabrico menos expedito e mais dispendioso.
q d
Figura 2.10: Estrutura polar com redução da reacção do induzido transversal [Figura adaptada de Weh, et al. (1984, p.
1759)].
Os novos materiais magnéticos macios compósitos que, além do seu carácter monólito, permitem
dois estados de magnetização distintos, oferecem uma alternativa à utilização das barreiras de
fluxo supra descritas. Este assunto é retomado na secção 2.5..
A disposição dos ímanes colocados na superfície rotórica conduz a um circuito magnético
praticamente isotrópico, sendo desprezável a variação da indutância síncrona do estator nas
direcções longitudinal e transversal. A colocação dos ímanes embutidos introduz uma anisotropia
inversa no circuito magnético, caracterizada por sq sdL L . Esta anisotropia inversa é responsável
por um binário de relutância aditivo ao binário de excitação (Ferreira, 2000).
O menor entreferro equivalente e os consequentes valores superiores das indutâncias na
disposição dos ímanes embutidos favorece o controlo por enfraquecimento do campo. Com a
utilização de ímanes na superfície rotórica, pretendendo-se capacidade de enfraquecimento do
campo, é possível utilizar pólos formados por duas secções: ímanes permanentes e ferro maciço
(Figura 2.11). Desta forma, a relutância do circuito magnético é distinta nas duas secções,
41
permitindo o controlo do fluxo no entreferro usando o efeito de desmagnetização da corrente,
segundo o eixo directo, pela presença do material de baixa relutância (Tapia, et al., 2004).
Alguns materiais magnéticos permanentes apresentam uma resistividade eléctrica e uma
condutividade térmica baixas. A presença de harmónicos espaciais na forma de onda da indução
magnética e/ou da corrente no estator podem induzir correntes de Foucault nos próprios ímanes,
que, dispostos na superfície do rotor, perto do entreferro, estão mais expostos que os ímanes
embutidos. O aumento da temperatura devido a estas correntes pode conduzir a uma
desclassificação das propriedades magnéticas ou a alterações irreversíveis na magnetização dos
ímanes.
inr outr
Figura 2.11: Sector radial do rotor com os ímanes na superfície, com um pólo constituído por duas secções (íman permanente e ferro magnético macio), para controlo por enfraquecimento do campo.
2.3.5. Estruturas estatóricas
Os núcleos dos estatores em aço magnético de ferro e silício, para uma distribuição axial do fluxo
no entreferro, são laminados na direcção radial. A automação do processo de fabrico de estatores
com ranhuras para as estruturas axiais é mais complexa que para as estruturas radiais, pois o
passo de ranhura é variável ao longo do raio da máquina (Figura 2.12).
As perdas no ferro em estruturas estatóricas sem ranhuras são obviamente menores que nas
estruturas que utilizam estatores ranhurados, pela eliminação do volume de ferro associado aos
dentes. O conteúdo harmónico da força electromotriz é inferior na ausência de ranhuras, pois o
fluxo magnético devido aos ímanes permanentes não encontra um circuito magnético anisotrópico
durante o movimento de rotação. A presença das ranhuras provoca binários parasitas, o que
aumenta a vibração e o ruído da máquina.
42
A ausência dos dentes, e do limite de saturação imposto por estes, permite uma indução
magnética superior no entreferro, possível com ímanes de elevado produto energético e com
benefícios no desempenho da máquina. A utilização de ímanes de elevado produto energético (ou
um maior volume de material magnético permanente) é não só possível, como necessária pelo
aumento do entreferro equivalente.
Figura 2.12: Automação da construção de estatores com ranhuras para máquinas de fluxo axial [Figura original de
BrookCrompton (2007), com autorização].
Um inconveniente das máquinas de fluxo axial com estatores sem ranhuras é que elas não se
adaptam ao funcionamento com enfraquecimento do campo, devido ao baixo valor da indutância
própria (Napoli, et al., 2000). O valor superior da indutância magnética das máquinas com núcleos
estatóricos ranhurados afecta negativamente a regulação da tensão no modo gerador, mas em
contrapartida, para aplicações em que se utilizam conversores estáticos de energia, aquela é uma
vantagem, pois permite reduzir o conteúdo harmónico da corrente, imposto pela comutação.
A configuração estatórica ranhurada conduz a uma solução mais robusta do ponto de vista
estrutural de suporte dos enrolamentos e permite a dissipação do calor originário nas perdas Joule
de forma mais eficaz.
Na ausência de núcleos de ferro, os enrolamentos são embebidos em resinas, utilizando-se
geralmente esta solução em máquinas de potência reduzida (menor que 1 kW) porque os níveis
de indução magnética tendem a ser baixos devido ao elevado entreferro equivalente (Arkadan, et
al., 1992; Hesmondhalgh, Tipping, 1982).
43
As correntes de Foucault induzidas nos enrolamentos dos estatores sem ranhuras (parcela
geralmente desprezável nos condutores alojados em ranhuras) são consideráveis, porque o fluxo
atravessa a região dos condutores na ausência de um percurso de baixa relutância, sendo
necessário o recurso a condutores de secção reduzida. A utilização de condutores de secção
variável permite ajustar a secção conforme estes sejam activos ou passivos, balanceando desta
forma as perdas Joule e as perdas por correntes de Foucault nos enrolamentos, embora encareça
o processo de fabrico (Gieras, et al., 2004).
2.4. MATERIAIS MAGNÉTICOS PERMANENTES
O sucesso comercial relativamente recente das máquinas de ímanes permanentes deve-se em
grande parte à elevada eficiência volumétrica dos ímanes permanentes de terras raras e à sua
disponibilidade a custos acessíveis. Os ímanes permanentes possibilitam a exploração de novas
configurações e a utilização de factores de escala impraticáveis nos sistemas de excitação
classicamente obtidos através de densidades de correntes, potenciando ainda o rendimento da
máquina por eliminação das perdas de excitação. As principais características dos materiais
magnéticos de terras raras são apresentadas na secção 2.4.3., precedida de duas secções: a
primeira secção introduz os principais aspectos físicos do magnetismo permanente e a segunda
secção apresenta os aspectos relevantes da evolução histórica dos materiais magnéticos
permanentes.
2.4.1. Propriedades básicas do magnetismo permanente
Os mecanismos básicos do magnetismo são determinados, ao nível atómico, pelos movimentos
orbital e de spin de um electrão, com analogia ao momento de um dipolo magnético. Numa
perspectiva multiatómica, se os momentos dos dipolos magnéticos não interagem de forma
significativa, o material comporta-se como paramagnético; se existir uma interacção forte entre
momentos magnéticos atómicos vizinhos, conducente a um alinhamento espontâneo dos mesmos,
o material é ferromagnético, abaixo da temperatura de Curie, CT . A magnetização espontânea
44
intrínseca dos materiais ferromagnéticos está organizada em domínios, teoria proposta em 1907,
por Pierre-Ernest Weiss (Hellemans, Bunch, 1991).
2.4.1.1. Magnetização e ciclo histerético
Nos materiais ferromagnéticos duros ou permanentes, caracterizados por uma estrutura
anisotrópica magnetocristalina, o alinhamento espontâneo dos momentos dos dipolos magnéticos,
mm , em volumes elementares, v , origina domínios com uma magnetização, M , dada por
0limv v
mm
M . (2.1)
A magnetização espontânea produz uma polarização magnética mP , igual à indução magnética,
B , na ausência de campos externos, ou seja 0mP M . Do ponto de vista microscópico, um
material desmagnetizado contém esses domínios magnetizados até à saturação, mas os domínios
adjacentes estão magnetizados em direcções aleatórias, conduzindo a uma magnetização
resultante nula no volume total do material. O material é magnetizado quando um campo
magnético externo de amplitude suficiente é aplicado ao material, originando a rotação dos
domínios e o alinhamento destes na direcção do campo. A indução magnética total, devida a M e
ao campo magnético externo H , é expressa por
0B M + H . (2.2)
Para materiais magnéticos lineares, homogéneos e isotrópicos, B , M e H são paralelos ou
anti-paralelos, o que permite utilizar a equação (2.2) na sua forma escalar.
Quando se aplica um campo magnético ao material completamente desmagnetizado, a indução
magnética irá crescer até ao valor da indução de saturação, sB , definindo a primeira curva de
magnetização. Se o campo magnético for gradualmente reduzido a zero, a indução irá diminuir até
ao valor de remanência, rB , igual à polarização. Invertendo a direcção do campo magnético e
aumentando-o em valor absoluto, a indução magnética anula-se para uma intensidade do campo
45
igual a cH , denominado de campo coercivo. Aumentando mais o campo na mesma direcção,
magnetiza-se o material até à saturação com polaridade oposta. Reduzindo novamente o campo
magnético até zero, obtém-se a indução de remanência com a polaridade oposta à anterior e
revertendo novamente a direcção do campo magnético, o material é magnetizado até à sua
polaridade original, sB , completando o ciclo histerético normal representado na Figura 2.13. Por
uma questão de conveniência, o eixo do campo magnético está normalizado pelo factor da
permeabilidade do vazio, 0 .
0H
sB
0r sB M
0 cH0 ciH
B
0 ciH0 cH
sB
rBCiclo histerético normal
Ciclo histerético intrínseco
0H
Figura 2.13: Ciclos histeréticos normal e intrínseco de um íman permanente ideal [Figura adaptada de Campbell (1994, pp.
14-15)].
O ciclo histerético normal reporta a indução magnética mensurável em função do campo
magnético aplicado. Na ausência do material magnético, o mesmo campo produziria uma indução
magnética no espaço vazio dada por 0H . A indução magnética total é, assim, a soma da
indução magnética devida à magnetização intrínseca do íman e da que seria induzida pelo mesmo
campo no vazio. O ciclo histerético intrínseco associado ao íman pode ser obtido por simples
aritmética, recorrendo à equação (2.2), como se representa na Figura 2.13. O campo coercivo
intrínseco, ciH , define o valor do campo magnético necessário para desmagnetizar
46
completamente o material magnético. Quando ci sH M , sendo 0s rM B , o campo coercivo
intrínseco tem amplitude superior ao campo coercivo normal e o ciclo histerético no 2.º quadrante,
que define a característica de desmagnetização do íman, é linear. Este aspecto, comum às ferrites
duras e aos ímanes de terras raras, é favorável quando o íman é utilizado num circuito magnético
sujeito a excursões do ponto de funcionamento na característica de desmagnetização, por
variação do campo desmagnetizante (este assunto será retomado no Capítulo 4).
TB
MA/mH
Figura 2.14: Características de desmagnetização normais e intrínsecas de um íman de NdFeB (N40UH) [Figura adaptada de ChenYang-Engineering (2010)].
O comportamento dos materiais magnéticos sujeitos a campos magnéticos externos, da forma
como foi apresentado, pressupõe que o material é ideal, constituindo assim uma abordagem
teórica. Na prática, porque as rotações dos domínios ocorrem gradualmente, a variação abrupta
da característica de desmagnetização intrínseca anteriormente proposta dá lugar a uma curva
suavizada. A magnetização é também função da temperatura, sendo reduzida à medida que a
temperatura aumenta até ao limite da temperatura de Curie, a qual define a transição entre o
estado ferromagnético (ou ferrimagnético, no caso das ferrites) e o estado paramagnético do
material. Acresce ainda existirem variações da magnetização com o próprio campo magnético,
aqui desprezadas. Sem os pressupostos simplificativos, as características de desmagnetização
47
normais e intrínsecas de um material magnético permanente assumem as formas apresentadas na
Figura 2.14.
2.4.1.2. Energia nos processos de magnetização e desmagnetização
A estrutura anisotrópica magnetocristalina é condição para que o material seja magneticamente
susceptível, mas, para que um íman armazene energia ou produza trabalho nos processos de
magnetização ou desmagnetização, é necessária a energia associada a um campo externo.
A energia armazenada por unidade de volume de um íman permanente é dada por (Campbell,
1994)
0mW MH . (2.3)
A variação na energia, devida a uma variação do campo magnético H , é avaliada por
0 0mdW M dH H dM . (2.4)
Na equação (2.4), o termo 0M dH representa o trabalho realizado unicamente pelo campo
aplicado, traduzindo-se nas deslocações horizontais do ciclo histerético intrínseco, e o termo
0H dM é a energia associada à mudança de direcção dos momentos magnéticos, relacionada
com as deslocações verticais do mesmo ciclo, e exprime a energia cinética no próprio material.
Ao longo de um ciclo histerético completo, 0mdW , ou seja
0 0 0M dH H dM . (2.5)
Substituindo (2.2) em (2.5), obtém-se
0 0 0B H dH H d B H . (2.6)
Dado que H volta ao seu valor original após um ciclo completo, 0 0H dH , a equação (2.6)
reduz-se a
48
0B dH H dB . (2.7)
Considerando agora os pontos inicial e final distintos, por exemplo, uma mudança do ponto a
para o ponto b , representados na Figura 2.15, a soma das áreas permite escrever
a a a
bb bB dH H dB BH ou
b b b
aa aB dH H dB BH . (2.8)
max
BH
a
b
c
0H
sB
0 cH0 ciH
B
0 ciH0 cH
HdB
BdH
d
Figura 2.15: Variação de energia ao longo do ciclo histerético normal [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 17)].
Os termos b
aB dH e
b
aH dB representam ainda o trabalho realizado pelo campo magnético
aplicado e a energia cinética interna, respectivamente, ambos por unidade de volume. Cada ponto
do ciclo histerético representa assim a energia total potencial, avaliada por BH .
No ponto a , o íman está magnetizado até à saturação, mas, em b , BH é nulo, ou seja, o
íman não produz trabalho na sua remanência. Para entregar a energia acumulada, o ponto de
funcionamento do íman tem que se mover para o segundo quadrante, onde o íman experimenta
49
uma força desmagnetizante a partir do meio em que se insere. A variação de energia por unidade
de volume quando o íman passa da sua remanência para o ponto c obedece a
c c c
bb bB dH H dB BH , (2.9)
ou seja, o trabalho realizado pelo campo magnético, B dH , é igual à soma da variação da
energia potencial, BH , e da energia libertada pelo íman, H dB , como representado na
Figura 2.16.
B
0H
B dH
B
0H
max
BH
B
0H
H dB
Figura 2.16: Variação por unidade de volume da energia associada ao campo magnético (a), da energia cinética interna (b)
e da energia potencial (c) [Figura adaptada de Campbell (1994, p. 98)].
A energia potencial, BH , atinge um valor de pico, suposto em c , diminuindo o seu valor à
medida que o ponto se aproxima da coercividade, em d , onde aquela se anula novamente. O
valor de pico de BH , no segundo quadrante, define o produto energético máximo, maxBH
(Figura 2.17).
Para o material ideal aqui tratado, o produto energético máximo ocorre para 0 2sB M e
2sH M , com um valor proporcional à magnetização de saturação, 20max
4sBH M .
O produto energético máximo é uma medida qualitativa do desempenho de um íman num circuito
magnético uma vez que não quantifica a energia que este é capaz de fornecer (Furlani, 2001). O
projecto magnético que estabeleça o ponto de funcionamento no correspondente ao produto
50
energético máximo, maximiza a energia libertada pelo íman, ou, expresso de outra forma,
minimiza o volume de material magnético numa determinada aplicação.
cH H (A/m)
max
BH
BH 3J/m
Figura 2.17: Produto energético em função do campo magnético ao longo da característica de desmagnetização.
2.4.2. Evolução histórica dos materiais magnéticos
Os materiais magnéticos naturais – óxidos de ferro, Fe3O4, também denominados de magnetites,
são conhecidos há, provavelmente, 5000 anos (Petrie, 1995). A primeira aplicação conhecida dos
materiais magnéticos artificiais (ferro depois de entrar em contacto com os materiais magnéticos
naturais) foi numa bússola de marinheiro, instrumento descrito na Europa, em 1200, mas
aparentemente inventado na China, pelo menos dois milénios antes (Parker, 1990).
Um marco importante na investigação de materiais magnéticos artificiais deveu-se ao trabalho de
William Gilbert, publicado em 1600, no livro De Magnete, utilizando ligas temperadas de ferro e
carbono. De acordo com os padrões actuais, a liga proposta tinha propriedades magnéticas muito
fracas.
Já em pleno século XX, em 1931, o japonês T. Mishima patenteou a primeira liga de material
magnético duro, baseada em ferro, níquel e alumínio, denominada “alni”, dando início ao período
de desenvolvimento das bem sucedidas ligas alnicos. Estas ligas contêm a adição de cobalto até
40 %, estão disponíveis graduadas de 1 até 9, representando a ordem cronológica do seu
desenvolvimento comercial, e permitiram obter campos coercivos e produtos energéticos até
152 kA/m e 76 kJ/m3, respectivamente (Strnat, 1990). Embora actualmente a utilização dos alnicos
esteja em declínio devido ao seu baixo produto energético, é de salientar a sua estabilidade com a
51
temperatura, com variações da indução remanente e do campo coercivo inferiores às de qualquer
outro material magnético.
O conhecimento crescente da física e da metalurgia associada aos ímanes permanentes
catapultou um desenvolvimento rápido depois da 2.ª Guerra Mundial, comparável à tecnologia dos
semicondutores, embora não tão publicitada. Na década de 50, outra família de materiais
magnéticos permanentes, as ferrites, foi disponibilizada comercialmente pela Philips (Roozee,
2002). As ferrites são materiais magnéticos cerâmicos obtidos por mistura de óxido de ferro com
bário ou estrôncio e apresentam propriedades ferrimagnéticas1. Pelo fácil processamento e baixo
custo dos materiais envolvidos, as ferrites constituem uma solução económica, mas são muito
instáveis com a temperatura (dez vezes menos estáveis que os alnicos) e apresentam um
coeficiente de temperatura reversível do campo coercivo positivo, significando que este diminui
quando a temperatura diminui, característica que é única entre os materiais magnéticos duros
comerciais. Enquanto os outros materiais magnéticos tendem a ser moderadamente condutivos,
as ferrites são caracterizadas por uma elevada resistividade eléctrica.
A introdução dos ímanes baseados em terras raras, nos finais da década de 60, constituiu um
marco importante na evolução tecnológica dos ímanes permanentes, decuplicando as
propriedades magnéticas. Os ímanes de terras raras foram considerados, pela primeira vez,
elementos magnéticos per si, diminuindo o risco de desmagnetização e competindo com os
electroímanes nas vertentes funcional e económica. Identificam-se três gerações de ímanes
permanentes baseados em terras raras, de acordo com a sua composição estequiométrica (Strnat,
1990):
ímanes de samário e cobalto de primeira geração, “1-5”, SmCo5,
ímanes de samário e cobalto de segunda geração, “2-17”, Sm2Co17, em que o cobalto
associado aos ímanes de primeira geração é parcialmente substituído pelo ferro, e por último,
1 A magnetite é um material ferrimagnético, embora tenha sido considerado ferromagnético até Néel, em 1940, fornecer a estrutura teórica para o ferrimagnetismo (Moskowitz, 2006).
52
ímanes de terceira geração, as ligas ternárias “2-14-1”, nos quais a terra rara mais utilizada
é o neodímio, sendo os outros elementos o ferro e o boro, na composição básica Nd2Fe14B.
max
BH
Figura 2.18: Desenvolvimento dos materiais magnéticos permanentes no século XX, em função do produto energético
máximo [Figura adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorização].
O desenvolvimento temporal dos materiais magnéticos permanentes em função do produto
energético máximo, durante o século XX, é ilustrado na Figura 2.18.
2.4.3. Materiais magnéticos permanentes de terras raras
O desenvolvimento das ligas de samário e cobalto (SmCo) resultou da investigação direccionada
para a formação de ligas de elementos de terras raras com elementos de transição
ferromagnéticos, como o ferro, o cobalto e o níquel. Os ímanes de primeira geração, SmCo5,
sinterizados apresentam produtos energéticos da ordem de 128 kJ/m3 e forças coercivas muito
elevadas. A temperatura de Curie é muito elevada, aproximadamente 750 ºC, mas, em
contrapartida, o campo coercivo baixa drasticamente com o aumento da temperatura, o que limita
a utilização destes ímanes a temperaturas máximas de 250 ºC. Os ímanes contêm 66% de cobalto
e 34% de samário, constituindo a solução mais dispendiosa entre os vários materiais magnéticos
permanentes.
A baixa disponibilidade e o consequente custo elevado do cobalto motivaram a sua substituição
pelo ferro, tendo sido introduzidos, na década de 80, os ímanes de segunda geração,
53
comercialmente designados por Sm2Co17. Nestas ligas, as percentagens de samário e de cobalto
são inferiores às utilizadas nos ímanes de primeira geração: 18 a 27% para o samário e 40 a 50%
para o cobalto, parcialmente substituído por ferro em 10 a 20% (Strnat, 1990). Além da redução do
custo associado às matérias-primas, as propriedades magnéticas são melhores que as dos
ímanes de terras raras de primeira geração, com produtos energéticos até 214 kJ/m3 e uma
estabilidade com a temperatura notável, sendo graduados para aplicações até 350 ºC. O
processamento destas ligas requer tratamentos térmicos complexos e prolongados na formação
da microestrutura apropriada, o que conduz a um custo final mais elevado que o sugerido pelas
economias nas matérias-primas (Zhang, et al., 1999).
As ligas ternárias de neodímio, ferro e boro (NdFeB) foram propostas em 1983 pela General
Motors, nos Estados Unidos (Croat, et al., 1984), e pela Sumitomo Special Metals, no Japão
(Sagawa, et al., 1984), utilizando técnicas de processamento distintas. Estas ligas atingiram
rapidamente um elevado sucesso comercial, motivado essencialmente por considerações
económicas. Elas oferecem características magnéticas equivalentes, e em alguns aspectos
melhores, às de SmCo, mas recorrem a matérias-primas mais abundantes, o que resulta em
custos por unidade de massa e por unidade de produto energético inferiores. Estima-se que o
neodímio seja dez a vinte vezes mais abundante que o samário e a oferta de ferro a preços
acessíveis é virtualmente ilimitada. Os ímanes de NdFeB apresentam uma indução de remanência
superior aos ímanes de segunda geração e a sua massa volúmica, variável entre 6000 a
7700 kg/m3, é inferior em, aproximadamente, 10% à dos ímanes de SmCo. O produto energético
máximo reportado em laboratório atinge valores da ordem de 470 kJ/m3 para ímanes sinterizados
(HitachiMetals, 2010).
Os ímanes de NdFeB apresentam uma desvantagem considerável que restringe a substituição
dos ímanes de segunda geração em toda a sua extensão: a temperatura de Curie é baixa,
aproximadamente 300 ºC, e os coeficientes de temperatura reversíveis da indução remanente e
do campo coercivo intrínseco são, aproximadamente, cinco e duas vezes, respectivamente,
superiores aos ímanes Sm2Co17. Por isso, a sua utilização é limitada a aplicações sujeitas a
54
temperaturas relativamente baixas, tipicamente inferiores a 150 ºC. Existem várias modificações
destas ligas que procuram melhorar as propriedades térmicas. É comum substituir parcialmente o
ferro por cobalto, para melhorar as propriedades magnéticas a temperaturas mais elevadas, mas,
desta substituição, resulta uma redução do campo coercivo (Hirosawa, Sagawa, 1988; Vial, et al.,
2002); este, por sua vez, pode ser melhorado através da substituição parcial do neodímio por uma
terra rara mais pesada, sendo o disprósio o elemento mais vulgar (Groot, et al., 1998; Li, et al.,
2009). Todavia, o disprósio e o cobalto apresentam um acoplamento antiferromagnético,
reduzindo, por sua vez, a magnetização e o produto energético máximo. Outros compostos têm
vindo a ser desenvolvidos para reduzir a sensibilidade destas ligas à temperatura, como, por
exemplo, ligas com a adição de gálio, nióbio, vanádio e/ou alumínio.
Outro problema inerente aos ímanes de terras raras de terceira geração consiste na sua elevada
sensibilidade à corrosão; as camadas superficiais do material reagem com o oxigénio, o que
conduz a uma variação metalúrgica na sua superfície. Em consequência, a camada superficial
apresenta valores reduzidos do campo coercivo, o que facilita a desmagnetização destas partes
dos ímanes. Em ambientes húmidos, estes compostos também reagem com o hidrogénio, levando
a uma decomposição da superfície que se manifesta em superfícies porosas e na atenuação das
propriedades magnéticas (El-Moneim, et al., 2002). A resistência à corrosão é conseguida através
da adição de elementos específicos às ligas (como o gálio) ou através da utilização de
revestimentos baseados em zinco, crómio, níquel ou resinas epoxy (Saliba-Silva, et al., 2004; Yu,
Chen, 2006). As espessuras dos revestimentos são muito finas, tipicamente 10 a 30 µm, para
reduzir o impacte nas dimensões finais e nas tolerâncias mecânicas.
As propriedades magnéticas e mecânicas dos materiais baseados em terras raras, além da sua
composição estequiométrica, são também função das tecnologias de processamento; os materiais
magnéticos podem ser obtidos por sinterização ou com recurso a agentes ligantes (Taylor, et al.,
2002). O processamento dos ímanes sinterizados não recorre a nenhum efeito de diluição a partir
do seu estado desmagnetizado puro, sendo, por isso, expectável que os materiais assim obtidos
apresentem o produto energético mais elevado por unidade de volume e massa.
55
A tecnologia de processamento dos materiais sinterizados limita-os a geometrias simples e
regulares, pois os compostos obtidos tendem a ser quebradiços e duros, e, consequentemente,
difíceis de maquinar (Zhu, et al., 2000). Sempre que a flexibilidade geométrica é um requerimento
da aplicação, quer na realização de formas geométricas e/ou esquemas de magnetização
complexos (como o implícito na fila de Halbach, e.g.), quer na obtenção de dimensões com
tolerâncias não realizáveis com os ímanes sinterizados, recorre-se ao processamento das ligas
com agentes ligantes (Grönefeld, 2003). Nestes casos, os materiais magnéticos resultantes
apresentam propriedades magnéticas inferiores às dos ímanes baseados nos mesmos materiais
mas sinterizados (valores típicos apontam para induções de remanência e produtos energéticos
máximos inferiores em 50%), em consequência da diluição dos elementos activos nos agentes
ligantes e função das percentagens utilizadas (Buelow, et al., 2005).
As máquinas de IPFA são favoráveis à utilização de ímanes permanentes com geometrias
simples, privilegiando-se assim a utilização de ímanes permanentes sinterizados, embora existam
máquinas que explorem os materiais magnéticos obtidos por ligação, como o proposto em
(Mekhiche, et al., 1999). Os autores justificam a utilização de ímanes de NdFeB obtidos por
ligação numa máquina de ímanes permanentes para altas velocidades ( f 1567 Hz,
n 47000 min-1) porque a resistividade destes é superior à dos ímanes sinterizados (tipicamente
10 a 20 vezes), o que permite reduzir as perdas devidas às correntes de Foucault induzidas nos
próprios ímanes. Em aplicações a baixas velocidades, estas perdas são menos significativas,
tornando-se mais relevante explorar as propriedades magnéticas superiores dos ímanes de
NdFeB sinterizados.
A Tabela 2.1 resume numericamente as principais propriedades magnéticas e o custo aproximado
das três classes de ímanes permanentes sinterizados com relevância comercial actual (Trout,
2008). Tendo em consideração a diversidade das graduações e características propostas pelos
vários fabricantes, os valores apresentados permitem apenas uma comparação qualitativa dos
materiais, sem significado quantitativo absoluto.
56
Tabela 2.1: Principais características das classes de ímanes permanentes sinterizados com relevância comercial actual [Tabela adaptada de Trout (2008), com autorização].
Material rB
T
cH
kA/m
max
BH
kJ/m3
CT
ºC
Custo
€/kg
Massa volúmica
kg/m3
Energia potencial/
unidade de custo, J/€
Ferrite 0,4 223 32 450 4,86 4500 1,46
SmCo 1,07 1400 214 750 162 8500 0,16
NdFeB 1,35 1200 350 310 81 7700 0,56
2.5. MATERIAIS MAGNÉTICOS MACIOS
Numa máquina eléctrica, os materiais magnéticos macios desempenham um papel preponderante
como condutores do fluxo magnético. Ao contrário dos materiais magnéticos duros que suportam
um fluxo no circuito magnético per si, os materiais magnéticos macios diferem daqueles por só o
suportarem na presença de uma excitação eléctrica ou magnética externa. A principal diferença
reside no campo coercivo muito baixo ( cH 1 kA/m), figurativamente caracterizada por um ciclo
histerético estreito. A permeabilidade e a magnetização de saturação elevadas são características
preferenciais destes materiais no seu papel de confinamento e/ou direccionamento do fluxo. A
baixa coercividade e a elevada resistividade são também importantes sob excitação variável no
tempo, com implicações nas perdas histeréticas e por correntes de Foucault. Embora o ferro no
seu estado puro satisfaça os requisitos da elevada permeabilidade e magnetização de saturação,
ele é geralmente associado a outros elementos, o que permite melhorar outros parâmetros
eléctricos e ou mecânicos.
A estrutura anisotrópica magnetocristalina é aqui também essencial no comportamento magnético
dos materiais: quanto mais pequenos forem os domínios, mais macio é o material, ou seja, mais
facilmente é magnetizado e desmagnetizado (Gavrila, Ionita, 2002). A anisotropia pode ser
controlada pelos elementos que integram o material e pelos procedimentos térmicos, mecânicos
e/ou magnéticos a que são submetidos.
A Figura 2.19 estabelece uma comparação entre as principais propriedades magnéticas dos
materiais magnéticos macios comerciais mais frequentes.
57
sB T
r
Figura 2.19: Principais propriedades magnéticas dos materiais magnéticos macios comerciais mais comuns [Figura adaptada de ArnoldMagnetics (2010), com autorização].
Dos materiais magnéticos macios utilizados nas gamas de frequências superiores a 1 kHz, as
ligas de ferro e níquel (FeNi) são as mais representativas. Estas ligas contêm 30 a 80% de Ni e
são caracterizadas pela sua elevada permeabilidade e por ciclos histeréticos rectangulares. Outros
materiais magnéticos macios utilizados nesta gama de frequências são as ferrites macias, cuja
composição química é MO.Fe2O3, onde M é o metal de transição, ferro, níquel, magnésio ou zinco.
As ferrites macias são caracterizadas pela sua elevada resistividade (até 1010 Ω.cm) e por uma
permeabilidade relativa e magnetização de saturação baixas quando comparadas com os aços
magnéticos (MagneticsGroup, 1998). Todavia, pelas baixas perdas por correntes de Foucault que
acarretam, são o material ideal para aplicações a elevadas frequências, na ordem dos mega hertz.
Existem ainda os materiais nanocristalinos, com uma microestrutura baseada em cristais com
dimensões na ordem dos nano metros. Outros materiais tipicamente utilizados a elevadas
frequências, como os materiais compósitos e as ligas amorfas, no desenvolvimento tecnológico
actual, surgem também em aplicações a baixas frequências.
Os aços magnéticos cristalinos laminados baseados em ligas de ferro e silício (FeSi) são os
materiais dominantes em aplicações a baixas frequências, caracterizados por uma relação
desempenho/custo substancialmente mais favorável que os outros materiais magnéticos macios.
58
A adição de uma pequena percentagem de silício ao ferro aumenta a resistividade eléctrica,
reduzindo a parcela das perdas por correntes de Foucault, e diminui o campo coercivo, o que
conduz a valores elevados da permeabilidade e a uma redução das perdas histeréticas. O
envelhecimento magnético por captação de átomos intersticiais (carbono) é também reduzido, o
que melhora a estabilidade da liga ao longo do tempo (Gavrila, Ionita, 2002). Em contrapartida, o
silício torna o material quebradiço, reduz ligeiramente a magnetização de saturação e a
temperatura de Curie, o que limita as percentagens de silício a 4% para a maioria das aplicações
(Furlani, 2001). As propriedades magnéticas dos aços magnéticos de cristais não orientados são
praticamente isotrópicas em qualquer direcção no plano da laminação (as variações são da ordem
de 10 a 20%) (ArnoldMagnetics, 2010), sendo, portanto, utilizados nos circuitos magnéticos das
máquinas rotativas.
Na década de quarenta do século passado, o desenvolvimento das ligas de ferro e silício de
cristais orientados, com uma direcção preferencial para o percurso do fluxo no plano paralelo à
laminação, melhorou as propriedades magnéticas destas ligas, permitindo obter valores da
magnetização de saturação comparáveis aos obtidos com ferro puro, sendo largamente utilizadas
nos circuitos magnéticos dos transformadores, cujos núcleos permitem a utilização efectiva da
unicidade da direcção de magnetização preferencial do material, orientada na direcção unívoca do
fluxo magnético.
As propriedades físicas das ligas de FeSi não têm sofrido alterações significativas nas últimas
décadas. A evolução tecnológica tem-se manifestado essencialmente nas técnicas de
processamento a custos inferiores e no desenvolvimento de melhores revestimentos isolantes. A
espessura do duplo isolamento das laminações é expresso através do factor de empacotamento,
2d d , sendo d a espessura da lâmina do material e a espessura do isolamento de um
lado da lâmina. O factor de empacotamento apresenta valores típicos entre 0,94 e 0,97 (Gieras, et
al., 2004).
Devido à enorme variedade de aços magnéticos macios laminados disponíveis comercialmente,
as propriedades magnéticas destes materiais são difíceis de tipificar. Para as gamas geralmente
59
utilizadas em máquinas rotativas de potências pequenas ou médias (até 75 kW), é razoável
assumir para as perdas, função da espessura das chapas, do processamento, da composição e
da natureza da variação da indução magnética, valores típicos da ordem de 5 W/kg (a 1,5 T e
50 Hz) e induções de saturação na ordem de 2 T (Deshpande, 2003).
O cobalto adicionado ao ferro permite obter magnetizações de saturação superiores ao ferro puro.
As ligas de ferro e cobalto (FeCo) são os materiais com as melhores características magnéticas
para a gama das frequências industriais, mas a sua utilização em larga escala é limitada pelo
preço elevado que atingem devido à elevada percentagem de cobalto, com valores até 35%.
As ligas amorfas, baseadas em ferro, cobalto e/ou níquel, são obtidas por arrefecimento rápido
das ligas em fusão, resultando numa estrutura magnetocristalina com cristais muito pequenos. No
estado amorfo, do ponto de vista macroscópico, o material tem um comportamento magnético
isotrópico. A anisotropia é posteriormente induzida por tratamentos termomagnéticos que podem
ser realizados na direcção longitudinal ou transversal relativamente à direcção de magnetização
dos cristais, permitindo controlar a permeabilidade e as perdas no material, assim como induzir
uma direcção de magnetização preferencial (Gavrila, Ionita, 2002). O tratamento termomagnético
aplicado segundo a direcção longitudinal assegura um ciclo histerético rectangular e uma
permeabilidade elevada, enquanto o tratamento aplicado na direcção transversal conduz a um
ciclo histerético praticamente linear, com perdas no ferro reduzidas (Figura 2.20). As perdas no
ferro anunciadas pelos fabricantes atingem valores da ordem de 40% das perdas associadas às
chapas de ferro e silício comerciais (Metglas, 2010). Estas ligas são particularmente úteis para
aplicações de elevado rendimento e/ou a frequências na ordem dos quilo hertz, para as quais as
perdas por correntes de Foucault são dominantes e a espessura das chapas do aço magnético
cristalino deixa de ser compatível com a profundidade do efeito pelicular (Jensen, et al., 1992;
Kalokiris, Kladas, 2003).
60
TB
H A/m80 160
1
Sem campo
Campo longitudinal
Campo transversal
Figura 2.20: Ciclos histeréticos de uma liga amorfa (Metglas 2605SA1), antes e depois do tratamento termomagnético nas
direcções longitudinal e transversal [Figura adaptada de Metglas (2010)].
Recentemente, tem-se assistido a uma melhoria das propriedades magnéticas dos materiais
magnéticos macios compósitos caracterizados por uma isotropia tridimensional na condução do
fluxo e à sua utilização no domínio das máquinas eléctricas, embora sejam utilizados, há muito
tempo, em aplicações a altas frequências.
Estes materiais consistem em partículas de ferro pulverizado, revestidas com uma superfície
inorgânica que providencia o isolamento eléctrico e posteriormente, comprimidas, para se obter
uma elevada massa volúmica conducente a uma elevada indução magnética (Figura 2.21). As
propriedades magnéticas a frequências inferiores a algumas centenas de hertz são geralmente
inferiores às dos aços laminados (permeabilidade relativa na ordem de 500, indução de saturação
da ordem de 1,8 T e perdas com valores próximos de 10 W/kg), mas apresentam um
comportamento isotrópico, com as propriedades térmicas e magnéticas iguais nas três dimensões,
ao contrário dos materiais laminados nos quais aquelas são uni ou bidireccionais (e.g., a
condutividade térmica do ferro laminado é tipicamente 40 W/(m.K) na direcção da laminação e um
décimo daquele valor na direcção perpendicular).
O conceito tridimensional nos percursos do fluxo permite encurtar o comprimento das bobinas e as
partes não activas dos enrolamentos, resultando numa redução do tamanho dos dispositivos e das
perdas Joule, compensando assim as perdas histeréticas, parcela dominante das perdas nos
materiais compósitos a baixas frequências. Genericamente, os materiais laminados apresentam
perdas por correntes de Foucault mais elevadas que os materiais compósitos. As perdas
histeréticas aumentam linearmente com a frequência, enquanto as perdas por correntes de
61
Foucault apresentam uma dependência quadrática daquela; assim, existirá uma frequência acima
da qual as perdas totais nos materiais compósitos serão menores que nos laminados.
Partícula de ferro
Camada isolante
Figura 2.21: Esquema de um material magnético compósito [Figura adaptada de Hultman, Jack (2003, p. 516)].
A utilização de materiais compósitos em máquinas eléctricas ainda está em processo de
maturação, sendo actualmente indicados para aplicações a frequências elevadas (Jansson, 2004).
A sua aplicação não obedece a uma substituição directa do ferro laminado por aqueles, mas, em
vez disso, procura-se explorar o potencial inerente às vantagens isotrópicas: os percursos
tridimensionais para o fluxo magnético permitem explorar mais eficientemente configurações como
as de fluxo transversal e as de garras polares (Bolognani, et al., 2004; Jansson, 2004), e investigar
projectos inovadores, como, por exemplo, os propostos por Jack, et al. (2005) e Kosaka, et al.
(2005). A utilização destes materiais em máquinas de baixas velocidades, como proposto por
Chen e Pillay (2005), para um gerador eólico de ímanes permanentes de fluxo axial, não é muito
promissora, devido ao baixo rendimento obtido, da ordem de 48,8%.
Uma extensão da aplicação dos materiais compósitos em máquinas eléctricas é a sua utilização
em estruturas magnéticas monolíticas com regiões adjacentes de elevada e baixa permeabilidade.
O valor da permeabilidade magnética é ajustável através de processos térmicos localizados, que
permitem obter zonas contíguas com permeabilidades distintas numa peça única. Esta
característica dos materiais é útil em estruturas magnéticas com os ímanes embutidos, em que as
barreiras de fluxo entre os ímanes são conseguidas com a utilização do material a uma
permeabilidade baixa, próxima da do ar (El-Refaie, Jahns, 2005).
62
2.6. RESUMO
Ao longo deste capítulo foi apresentado o estado de arte da máquina de ímanes permanentes de
fluxo axial, explorando as suas configurações de base, assim como as características funcionais,
daí resultantes, mais relevantes. A evolução e as particularidades construtivas das máquinas de
ímanes permanentes estão intimamente relacionadas com os materiais activos utilizados,
nomeadamente os materiais magnéticos duros e macios. Neste prisma, foi apresentada uma
sinopse dos materiais magnéticos, as suas características fundamentais e as tendências
evolutivas.
A referenciação bibliográfica que sustenta o capítulo é utilizada independentemente de aplicação
orientadora do trabalho, com o objectivo de proporcionar uma visão global sobre as perspectivas
actuais e futuras da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial.
A identificação das variantes construtivas da máquina de fluxo axial, assim como as características
dos materiais activos de que depende, em parte, o seu desempenho, permite ainda orientar e
fundamentar as decisões iniciais do projecto da máquina para o seu funcionamento como gerador
accionado a baixas velocidades, tendo em consideração a aplicação orientadora do trabalho.
63
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CAPÍTULO 3
FUNDAMENTOS DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
70
ÍNDICE
3. Fundamentos da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial ..................................... 71
3.1. Introdução ............................................................................................................................... 71
3.2. Princípios Electromagnéticos Fundamentais ......................................................................... 72
3.2.1. Princípio da produção de binário ......................................................................................... 74
3.2.2. Fluxo magnético e força electromotriz ................................................................................. 77
3.2.3. Potência e binário electromagnéticos .................................................................................. 77
3.3. Modos de Funcionamento ...................................................................................................... 78
3.3.1. Análise comparativa entre os modos de funcionamento sinusoidal e quadrilateral ............ 83
3.4. Equações de Dimensionamento Básicas ............................................................................... 88
3.4.1. Razão de diâmetros ............................................................................................................. 89
3.4.2. Diâmetro externo ................................................................................................................. 91
3.4.3. Dimensões axiais ................................................................................................................. 94
3.5. Análise Comparativa entre as Máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial e Radial . 97
3.6. Resumo ................................................................................................................................ 101
Referências ..................................................................................................................................... 103
71
3. FUNDAMENTOS DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
3.1. INTRODUÇÃO
A geometria díspar das máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA) relativamente às
radiais reflecte-se nas equações electromagnéticas fundamentais que as regem. As equações de
binário e potência electromagnéticos permitem identificar as principais variáveis do projecto e
explicitar o princípio físico de funcionamento da máquina de IPFA.
A máquina de IPFA, assim como a radial, permite dois modos de funcionamento, caracterizados
pela forma de onda das intensidades de corrente nos enrolamentos, com consequências na forma
de onda da força electromotriz (fem), que pode ser sinusoidal ou quadrilateral. Quando as formas
de onda da corrente e da fem são quadrilaterais, o modo de funcionamento da máquina é similar
ao de uma máquina DC em que as funções do conjunto comutador e escovas são realizadas
através de um inversor e sensores de posição. A vulgarização dos comutadores electrónicos de
estado sólido para potências consideráveis tem incrementado a exploração deste modo de
funcionamento. A partir da análise de funcionamento em regime permanente dos dois modos de
funcionamento, é estabelecida uma análise comparativa entre eles em função do binário
electromagnético desenvolvido.
O projecto electromagnético da máquina de IPFA é, pela complexidade e fenómenos envolvidos,
um processo iterativo, no qual as equações de dimensionamento básicas, aqui deduzidas, numa
perspectiva de estimação das dimensões principais da máquina como variáveis iniciais,
desempenham um papel importante. O dimensionamento básico da máquina de IPFA providencia
ainda o suporte para uma análise comparativa entre as máquinas de ímanes permanentes de fluxo
radial e axial.
72
3.2. PRINCÍPIOS ELECTROMAGNÉTICOS FUNDAMENTAIS
As equações fundamentais do binário e potência desenvolvidos no entreferro da máquina, assim
como a fem induzida em vazio, permitem identificar as principais variáveis do projecto e explicitar
o princípio físico de funcionamento da máquina de IPFA. A distribuição da indução magnética no
entreferro constitui o ponto de partida das derivações subsequentes.
Ao contrário das máquinas de fluxo radial, em que o binário electromagnético é produzido num
raio constante, na máquina de fluxo axial aquele é produzido ao longo de um raio variável, entre
os raios interno e externo do núcleo de ferro do estator, inr e outr , respectivamente. O passo polar,
, e a largura do pólo, m , são funções do raio r , i.e.,
2
2
r rr
p p
e (3.1)
m mr r , (3.2)
onde p é o número de pares de pólos e m é o coeficiente polar, definido pela razão entre o valor
médio e o valor máximo, por pólo, da indução magnética no entreferro:
med
maxm
B
B . (3.3)
Com uma escolha apropriada da forma dos ímanes, m é geralmente independente do raio da
máquina.
A utilização dos ímanes na superfície rotórica conduz, inevitavelmente, a uma distribuição espacial
da indução magnética aproximada por um quadrilátero.
No caso de o entreferro ser uniforme e considerando desprezável a variação da relutância do
circuito magnético, o coeficiente polar é igual à razão entre a largura do pólo e do passo polar,
como se demonstra a partir da Figura 3.1 (a), em que as variáveis envolvidas estão expressas em
ângulos eléctricos:
73
2
med max2
1 mB B d B
. (3.4)
A amplitude da componente fundamental da forma de onda quadrilateral (Figura 3.1 (b)) é obtida
pelos coeficientes de Fourier, e dada por
max1 max
1 4cos sin
2mB B d B
. (3.5)
Adicionalmente, é fácil verificar que, para a distribuição sinusoidal correspondente à componente
fundamental da indução magnética no entreferro, a indução magnética média por pólo da
máquina, é
med1 max1
2B B
. (3.6)
maxB
B
2m
max1B B
2m
(b)
(a)
2m2m
Figura 3.1: Distribuições da indução magnética no entreferro da máquina bipolar equivalente. (a) Distribuição quadrilateral.
(b) Distribuição sinusoidal correspondente à componente fundamental.
A forma de onda quadrilateral é caracterizada por uma componente fundamental de amplitude
elevada e harmónicos de ordem ímpar de amplitudes muito inferiores.
A amplitude dos harmónicos é, de certa forma, “controlável” através da escolha apropriada do
coeficiente polar; por exemplo, a escolha de um coeficiente polar igual a 2/3 permite anular o
terceiro harmónico. A Figura 3.2 mostra a forma de onda quadrilateral da indução magnética no
entreferro da máquina ao longo do raio útil e a componente fundamental correspondente e, na
Figura 3.3, são apresentadas as componentes harmónicas de ordem 1 até 7.
74
rinr
outr
B
Figura 3.2: Forma de onda quadrilateral e componente fundamental da indução magnética no entreferro ao longo do raio
útil da máquina; m 0,7.
B
maxB
2
3
2
max1 cosB max3 cos3B max5 cos5B max7 cos7B
2
Figura 3.3: Componentes harmónicas da forma de onda da indução magnética; m 0,7;
max max 4 sin 2 ,h mB B h h h 1, 3, 5, 7.
3.2.1. Princípio da produção de binário
A produção de binário pressupõe a existência de uma indução magnética devida aos ímanes no
rotor e de uma força magnetomotriz (fmm) no estator, estacionárias uma relativamente à outra,
mas desfasadas entre elas. A velocidade relativa nula denota o carácter síncrono entre os campos
do estator e do rotor, e o ângulo entre o fluxo magnético devido aos ímanes e a fmm no estator é o
denominado ângulo de binário, .
Para uma máquina de IPFA ideal, admitindo que
os ímanes produzem uma indução magnética no entreferro com valor máximo, maxB ,
independente do raio,
75
os condutores no estator, com uma distribuição espacial adequada, são percorridos por uma
intensidade de corrente com valor eficaz I e
a intensidade de corrente que percorre os condutores, com uma variação temporal
adequada, está perpendicularmente orientada em relação ao fluxo magnético de excitação,
ou seja, o ângulo de binário é 2 ,
a força tangencial elementar, dF , que actua numa superfície infinitesimal do disco rotórico, devida
à indução magnética e à intensidade de corrente no condutor de comprimento infinitesimal dr
(Figura 3.4), pode ser deduzida a partir da lei de Lorentz,
d I d F r B . (3.7)
A densidade linear de corrente, definida pelo número total de condutores, 2 fm N , percorridos pela
intensidade de corrente com valor eficaz I distribuídos ao longo de 2 r metros, é variável com o
raio da máquina e dada por:
fmN I
A rp r
in inA r
r , (3.8)
em que m é o número de fases, fN é o número de espiras em série por fase num estator e inA é
a densidade linear de corrente no raio interno. ( )A r representa o valor eficaz da densidade linear
de corrente por superfície activa do estator, no caso de um enrolamento típico distribuído em
ranhuras, ou a densidade linear de corrente de todo o estator, no caso de um enrolamento
toroidal.
Utilizando a densidade linear de corrente definida por (3.8), nos pressupostos estabelecidos para a
máquina ideal, a lei de Lorentz é reescrita na seguinte forma:
meddF A r B ds , (3.9)
com med maxmB B e ds r drd .
O binário electromagnético elementar, no raio r , é
76
elm in in maxw mdT r dF k A r B r drd . (3.10)
O pressuposto que o ângulo de binário é 2 , implica que o binário em análise corresponde ao
valor máximo. Em regime permanente, para uma máquina ligada a um conversor electrónico, esta
condição é controlável. Para ângulos de binário diferentes de 2 , o binário é reduzido em sin .
0 B drr
2 ,d r F
d
, ,r tAoutr
inr
drrIdr
BdF
d
Figura 3.4: Princípio de produção de binário numa máquina de fluxo axial. (a) Representação simplificada da máquina de
fluxo axial ideal. (b) Superfície elementar ds .
O binário electromagnético desenvolvido por entreferro da máquina de fluxo axial ideal é obtido
integrando (3.10) ao longo da superfície útil do estator:
out
in
2 2 2elm in in max in max in out in0
r
w m w mrT k A r B r d dr k A B r r r
. (3.11)
A introdução do factor de enrolamento, wk , em (3.10) implementa a modificação do número de
espiras por fase para contabilizar os efeitos das técnicas utilizadas nos enrolamentos que visam a
redução do conteúdo harmónico na fem induzida e/ou na fmm produzida.
O binário electromagnético definido por (3.11) permite salientar a sua dependência de três
parâmetros: a densidade linear de corrente máxima no raio interno, inA , a indução magnética
máxima no entreferro, maxB , e a área útil do entreferro, 2 2out inr r . Os limites superiores da
densidade linear de corrente no raio interno e a indução máxima no entreferro são impostos pelo
comportamento térmico da máquina e pelas especificações dos ímanes permanentes. Definidos
estes limites, a equação anterior traduz a dependência entre o binário e as dimensões radiais da
máquina.
77
3.2.2. Fluxo magnético e força electromotriz
O fluxo magnético máximo por pólo no entreferro da máquina, devido ao sistema de excitação
constituído pelos ímanes permanentes, para uma distribuição da indução magnética com
med maxmB B , é
out
in
2 2max max max out in2
r
m mr
r drB B r r
p p
. (3.12)
Desprezando as componentes harmónicas de ordem superior à primeira na forma de onda do
fluxo magnético, numa determinada posição espacial , aquele é passível da seguinte
representação:
max1, sint t p , (3.13)
onde é o ângulo eléctrico entre o centro do pólo e o enrolamento da fase, suposta fase a , do
estator e rp , é a frequência angular das grandezas elétricas no estator, sendo r a
velocidade angular de rotação da máquina.
A força electromotriz (fem) induzida em vazio numa fase com fN espiras é obtida através da lei
de Faraday:
max1 cosw fe t k N t p . (3.14)
Por inspecção da equação anterior, o valor eficaz da fem induzida em vazio é
max1
2
2 w fE k N . (3.15)
3.2.3. Potência e binário electromagnéticos
Tendo por base o critério do gerador na representação das grandezas eléctricas e magnéticas
(Ferreira, 2000), a fem em vazio está em quadratura atraso relativamente ao fluxo magnético e a
78
intensidade de corrente está em atraso de graus (ângulo de binário). Daqui, a potência activa
electromagnética no entreferro é dada por
90ºelm Re * Re j jP m mEe Ie EI , (3.16)
sendo E e I os valores eficazes da fem em vazio e da intensidade de corrente.
Substituindo (3.12) e (3.15) na equação anterior, obtém-se
2 2elm max1 out in
2sin
4 w f mP mk N I B r rp
. (3.17)
O binário electromagnético correspondente é
2 2elmelm max1 out in
2sin
4 w f mr
PT mk N I B r r
. (3.18)
A equação do binário electromagnético obtida anteriormente através da lei de Lorentz, (3.11),
considera a indução magnética média no entreferro; se multiplicada pelo factor 2 4 , de forma
a reflectir o binário electromagnético devido a uma indução sinusoidal, e utilizando (3.8), que
define a densidade linear de corrente, a expressão resultante é coincidente com (3.18), para
sin 1.
3.3. MODOS DE FUNCIONAMENTO
A máquina de IPFA, nas concepções topológicas propostas no Capítulo 2, se ligada a um
conversor electrónico de energia, permite a sua exploração em dois modos de funcionamento,
sinusoidal (AC) ou quadrilateral (DC)1, caracterizados pelas formas de onda da intensidade de
1 O termo “quadrilateral” resulta de uma tradução livre da designação anglo-saxónica “square-wave”. Outra designação frequente é “trapezoidal”. As máquinas de IPFA neste modo de funcionamento são geralmente designadas por “brushless DC machines”, baseado no facto de o inversor e os sensores de posição desempenharem a mesma função que o comutador mecânico das máquinas DC.
79
corrente nos enrolamentos do estator (Figura 3.5). A forma de onda da intensidade de corrente
triangular também é utilizada, e.g., em (Lipo, Wang, 1984), mas não é aqui tratada.
ai
bi
ci
3 2 3 4 3 5 3 2
ai
bi
ci
3 2 3 4 3 5 3 2
Figura 3.5: Formas de onda da corrente da máquina de IPFA. (a) Modo sinusoidal. (b) Modo quadrilateral.
Na máquina de IPFA sinusoidal, ou síncrona, os projectos magnético e eléctrico são orientados
para a obtenção de distribuições sinusoidais da fmm do estator e da indução magnética devida
aos ímanes permanentes. O conteúdo harmónico da fem depende da distribuição do fluxo
magnético e também da distribuição dos enrolamentos. A análise de funcionamento da máquina
de IPFA no modo de funcionamento sinusoidal é similar à de uma máquina síncrona convencional,
passível do tratamento baseado na teoria das duas reacções (Ferreira, 2000). Adoptando o critério
do gerador, o modelo em regime permanente da máquina de IPFA, obedece à equação (3.19),
sd sqR jX jX d qE U I I I , (3.19)
cuja representação fasorial correspondente é apresentada na Figura 3.6, para a situação do
gerador sobrexcitado; os ângulos e l são o ângulo de fase e de carga, respectivamente.
Na equação (3.19), U é o fasor tensão simples nos terminais da máquina, I é o fasor
intensidade de corrente e R é a resistência por fase. As reactâncias síncronas, sdX e sqX ,
modelam a reacção do induzido segundo os eixos polar (directo) e interpolar (quadratura) e
80
resultam da soma das reactâncias e magnetização (ou mútuas entre o estator e o rotor) segundo
os dois eixos, mdX e mqX , e da reactância de fugas do estator, X , de acordo com
sd md
sq mq
X X X
X X X
. (3.20)
q
d
U
RIsdjX dI
sqjX qI
E
IdI
qI
l
Figura 3.6: Diagrama fasorial de uma máquina síncrona anisotrópica (gerador sobrexcitado).
A determinação das reactâncias será retomada no capítulo seguinte, mas importa desde já
salientar que, nas máquinas que utilizam os ímanes na superfície rotórica, o circuito magnético ao
longo do passo polar é praticamente isotrópico, o que conduz a valores semelhantes das
reactâncias síncronas, segundo os dois eixos em quadratura.
As máquinas de IPFA quadrilaterais, aqui denotadas por qd , são máquinas cujo projecto é
predominantemente caracterizado por um coeficiente polar elevado e uma disposição dos
enrolamentos do estator concentrados. A configuração toroidal é quase sempre projectada para o
modo de funcionamento quadrilateral (Gieras, et al., 2004). Neste modo de funcionamento, as
forças magnetomotriz e electromotriz obedecem a distribuições aproximadamente quadrilaterais.
Estas formas de onda são obtidas por sincronização das correntes no estator com a posição
instantânea do rotor (Figura 3.7). Os períodos de condução utilizados típicos variam entre 100º e
150º eléctricos, dependendo do coeficiente polar adoptado. O número de fases considerado ao
longo deste estudo é 3, mas é comum a adopção de um número de fases superior (por exemplo,
Zhang, et al. (2010) propõem um gerador de ímanes permanentes de fluxo radial quadrilateral com
12 fases).
81
Para um enrolamento trifásico ligado em estrela, períodos de condução de 120º eléctricos
implicam que duas fases estejam sempre activas. Assim, a máquina de IPFA quadrilateral pode
ser representada pelo circuito eléctrico da Figura 3.8. As fases a e b estão activas e a fase c
está desligada (representada pela linha tracejada). Neste circuito, R e sL são a resistência e a
indutância síncrona, ambas por fase. As forças electromotrizes por fase, ae , be e ce , são devidas
ao sistema de excitação constituído pelos ímanes permanentes.
ae
ai
qdE
qdI
Figura 3.7: Formas de onda teóricas da fem induzida e da intensidade de corrente da máquina de IPFA quadrilateral.
ae
be
ce
R sL
sL
sL
R
R
a
b
c
qdi
Figura 3.8: Circuito eléctrico da máquina de IPFA quadrilateral ligada a um conversor electrónico de energia com duas
fases activas.
Para cada período de condução, pode-se considerar a fem induzida como uma quantidade DC,
devido à forma quadrilateral da onda. Sendo qdae E , qd
be E , em que qdE é o valor
máximo da forma de onda quadrilateral, qda bi i i , a equação dinâmica do circuito é
2 2 2qd
qd qd qds
diE u Ri L
dt . (3.21)
82
A indutância síncrona, sL , desempenha um papel fundamental na manutenção da variação suave
de onda da corrente durante os períodos on-off dos dispositivos de estado sólido do inversor em
cada intervalo de condução das fases.
Em regime permanente, uma corrente DC, qdI , circula nas duas fases, obtendo-se
2 2qd qd qdE U RI . (3.22)
Para uma distribuição quadrilateral da indução magnética no entreferro, ou seja, maxB constante
sob a largura do pólo, o fluxo magnético de excitação por pólo, de acordo com (3.12), é
2 2max max out in2
qd qdm B r r
p
. (3.23)
Os fluxos totalizados nas três fases ( qdfN ) e as fem induzidas correspondentes, são
representados na Figura 3.9.
A fem induzida num elemento infinitesimal de uma espira de comprimento dr do enrolamento de
uma fase (dois condutores) é calculada através de
2dE B v r dr , (3.24)
onde v r é a velocidade linear dos condutores de comprimento dr relativamente à indução
magnética, ou seja,
rv r r . (3.25)
Considerando que todo o fluxo devido ao sistema de excitação é útil e max
qdmB B , a fem
induzida numa fase com fN espiras, é
out
inmax2
rqd qdf m r
E N B r drp
,
max
2qd qdfE N
. (3.26)
83
Para a ligação dos enrolamentos em estrela, com duas fases activas, o binário electromagnético é
elm max
2 4qd qdqd qd qd
fr
E IT pN I
. (3.27)
0
0
0
0
ae
be
ce
3 2 3 4 3 5 3 2
0
0
B
, ,a b c
ai
bi
ci
max
qdfN
Figura 3.9: Fluxos totalizados e fem induzidas numa máquina trifásica no modo de funcionamento quadrilateral.
3.3.1. Análise comparativa entre os modos de funcionamento
sinusoidal e quadrilateral
Uma análise comparativa das máquinas de IPFA para os modos de funcionamento sinusoidal e
quadrilateral pressupõe aspectos construtivos comuns, o que, a priori, contraria a filosofia do
projecto optimizado para um modo específico de funcionamento. Independentemente desta
consideração, é possível estabelecer uma análise comparativa entre os dois modos de
funcionamento, nos seguintes pressupostos:
84
as estruturas rotóricas das duas máquinas são idênticas, com a forma dos ímanes
permanentes e coeficiente polar iguais;
a área radial útil do entreferro é igual nas duas máquinas;
a velocidade de rotação e o número de pólos são iguais;
o número de fases nas duas máquinas é igual a 3;
os comprimentos axiais dos dois estatores são iguais;
no modo de funcionamento sinusoidal, o ângulo de binário é controlado para que o binário
seja máximo;
os enrolamentos, alojados em ranhuras, têm o mesmo número de espiras por fase e
utiliza-se uma ranhura por pólo e por fase, com um passo de bobina igual ao passo polar;
desta forma, o factor de enrolamento da máquina no modo de funcionamento sinusoidal é
unitário.
Nos pressupostos enunciados, a forma de onda da indução magnética no entreferro das duas
máquinas e o volume dos materiais activos (ímanes permanentes, ferro macio e cobre) são iguais.
Para o modo de funcionamento sinusoidal da máquina de IPFA, a fem em vazio por fase (3.15) e o
binário electromagnético (3.18), nos pressupostos estabelecidos, são:
max1
2
2 fE N , (3.28)
elm max1
23
2 fT p N I . (3.29)
Para a máquina de IPFA quadrilateral, as mesmas grandezas, como já indicado, são avaliadas por
max
2qd qdfE N
, (3.30)
elm max
4qd qd qdfT N pI
. (3.31)
85
A razão entre os binários electromagnéticos das máquinas IPFA quadrilateral e sinusoidal é
elm max
elm max1
0,6qd qd qdT I
T I
. (3.32)
A razão entre os fluxos máximos das máquinas quadrilateral e sinusoidal, em igualdade das
formas de onda da indução magnética no entreferro, é dada por
2 2max out in
max
2 2max1 11 max out in
12
2
qdqd m
m
B r rp
kk B r rp
, (3.33)
em que 1k é a razão entre a amplitude da componente fundamental e o valor máximo da indução
magnética, calculado em (3.5),
max11
max
4sin
2mB
kB
. (3.34)
Substituindo (3.33) em (3.32), obtém-se
elm
elm 1
10,6
qd qdT I
T I k . (3.35)
Com valores de m na gama entre 0,5 e 1, ou seja, 0,9 1k 1,27, a comparação entre os modos
de funcionamento quadrilateral e sinusoidal pode ser estabelecida, admitindo
igualdade de amplitudes máximas das correntes, 2qdI I :
elm
elm
0,666 0,942qdT
T , (3.36)
86
igualdade de valores eficazes das correntes, o que implica igualdade das perdas Joule nos
dois modos de funcionamento, 3 2qdI I 1:
elm
elm
0,577 0,816qdT
T . (3.37)
Os resultados obtidos para a razão de binários nos dois modos de funcionamento, extrapoláveis
para a razão das densidades de binário, tendo em consideração os pressupostos de base,
indiciam uma vantagem do modo de funcionamento sinusoidal, em detrimento do modo de
funcionamento quadrilateral. Contudo, alguns autores associam ao modo de funcionamento
quadrilateral uma densidade de potência superior à do modo sinusoidal.
Chan e Chau (1997) argumentam que uma máquina projectada para o modo de funcionamento
quadrilateral utiliza geralmente enrolamentos concentrados, o que resulta numa densidade linear
de corrente superior que a permissível com a utilização de enrolamentos distribuídos, para a
mesma estrutura estatórica, pelo que a potência poderá ser superior. Noutro trabalho, Krishnan
(2010) conclui que a potência no modo quadrilateral é 15,4% superior que no modo sinusoidal, em
igualdade de perdas Joule e em igualdade de valores máximos das fem induzidas nos dois modos
de funcionamento, ou seja,
3 2
2
qd
qd
I I
E E
. (3.38)
Daqui,
elm
elm
21,154
3
qd qd qdP E I
P EI . (3.39)
1Para uma onda quadrada com um período de condução de 120º,
1 2 1 2
2 5 6 22
0 6
2 2
3( )
T tp qdI I
Ti t dt I dt
.
87
Nas condições pré-estabelecidas do estudo efectuado em termos da razão de binários para os
dois modos de funcionamento, a densidade linear de corrente utilizada é igual nas duas situações
e a igualdade das amplitudes das fem só ocorre para coeficientes polares baixos, da ordem de
0,33, o que não é razoável na prática. Na opinião da autora, a igualdade de amplitudes das fem
nos dois modos de funcionamento, como pré-estabelecido por Krishnan, requer volumes de
materiais activos distintos, o que não permite extrapolar os resultados por ele obtidos, e
reproduzidos em (3.39), para a densidade de binário nos dois modos de funcionamento.
A análise comparativa efectuada, com os resultados obtidos em (3.36) e (3.37), é direccionada
para a máquina eléctrica per si. Contudo, o desempenho global de um sistema de accionamento
não se restringe à máquina eléctrica, sendo necessário considerar o conversor electrónico de
energia ao qual a máquina está acoplada, que tem requisitos e perdas distintas nos dois modos de
funcionamento. Os requisitos do conversor electrónico de energia para os dois modos de
funcionamento são sumariados de forma qualitativa, nas seguintes observações:
Para os dois modos de funcionamento pode ser utilizado um inversor trifásico convencional
com seis transístores, embora com esquemas de funcionamento diferentes. No modo
quadrilateral, o sinal de comutação da corrente tem que ser gerado seis vezes durante um
período eléctrico. Os sinais de comutação são obtidos a partir de um sensor de posição
rotórico, cuja resolução tem que ser só a correspondente a 60º eléctricos. Em contrapartida,
no modo de funcionamento sinusoidal o controlador necessita de informação praticamente
contínua para construir os comandos das formas de onda da corrente sinusoidal; na prática,
é utilizada uma resolução correspondente a 10º eléctricos, o que eleva o custo associado
aos sensores de posição comparativamente aos requeridos no modo de funcionamento
quadrilateral (Sebastian, et al., 2004). Todavia, no modo de funcionamento sinusoidal,
utilizando-se a técnica de controlo razão tensão-frequência constante, é dispensada a
informação da posição rotórica (Morimoto, et al., 1991).
No modo de funcionamento quadrilateral, em qualquer instante só duas fases estão activas,
em oposição à técnica PWM utilizada no modo sinusoidal, com controlo individual das
88
correntes das três fases em simultâneo. As perdas devidas à condução e comutação no
modo de funcionamento quadrilateral são significativamente inferiores e o tempo existente
para arrefecimento dos dispositivos de estado sólido é superior, o que aumenta a fiabilidade
destes, comparativamente ao modo de funcionamento sinusoidal.
No motor de IPFA quadrilateral, podem surgir problemas na obtenção de um binário
suficiente a velocidades elevadas, pois a diferença entre a tensão nos terminais da máquina
e a fem pode não ser suficiente para que a corrente atinja a amplitude necessária e, neste
caso, o binário é reduzido drasticamente.
Torna-se, assim, evidente que a escolha do modo de funcionamento não pode ser ditado
exclusivamente pela máquina, pois o tipo de controlador e o esquema de funcionamento do
conversor electrónico de energia têm implicações no custo da solução final e nas perdas totais do
sistema, que podem contrariar a maior densidade de binário das máquinas sinusoidais.
De salientar ainda que, no modo de funcionamento quadrilateral, as oscilações do binário em torno
do valor médio são elevadas comparativamente ao modo de funcionamento sinusoidal, devido à
comutação das correntes e a possíveis desvios na forma de onda da fem da forma quadrilateral.
Aplicações que exijam um desempenho elevado deste parâmetro e/ou a redução de vibração e do
ruído beneficiam da utilização da máquina no modo de funcionamento sinusoidal.
3.4. EQUAÇÕES DE DIMENSIONAMENTO BÁSICAS
O projecto de máquinas eléctricas obedece necessariamente a um processo iterativo, no qual o
estabelecimento das dimensões principais da máquina, enquanto variáveis iniciais, resulta
classicamente de regras empíricas e da experiência do projectista. Nesta secção pretende-se
fundamentar a estimação das dimensões principais da máquina de IPFA. A dimensão do diâmetro
externo, juntamente com a razão de diâmetros, fixa as principais dimensões radiais da máquina
enquanto o projecto magnético básico permite estimar as suas dimensões axiais.
89
Ao longo desta secção, o dimensionamento é orientado para o modo de funcionamento sinusoidal
da máquina de IPFA com a estrutura duplo entreferro, rotor interno e com os ímanes dispostos nas
superfícies do rotor. O dimensionamento básico para outras estruturas é estabelecido de forma
análoga.
3.4.1. Razão de diâmetros
Retoma-se aqui a equação do binário electromagnético (3.11), definida na secção 3.2.1:
2 2elm in max in out inw mT k A B r r r . (3.40)
A razão de diâmetros, Dk , é definida por
in in
out outD
D rk
D r , (3.41)
onde outD e inD são os diâmetros externo e interno dos núcleos de ferro dos estatores.
Introduzindo este factor dimensional em (3.11), a equação do binário é reescrita na seguinte
forma:
3 3elm in max outw m D DT k A B r k k . (3.42)
A partir de (3.42), é possível obter a razão de diâmetros que maximiza o binário:
elm,
10 0,58
3D opt
D
dTk
dk . (3.43)
A implementação prática da razão de diâmetros de ordem de grandeza da que maximiza o binário
electromagnético nem sempre é possível. A disposição dos enrolamentos nas estruturas
estatóricas pode ser comprometida se o espaço disponível entre o raio interno e o veio da
máquina for pequeno para alojar as partes não activas dos enrolamentos. O volume e
comprimento das partes não activas dos enrolamentos são consideravelmente grandes quando se
utilizam enrolamentos distribuídos. A utilização de enrolamentos concentrados ou de enrolamentos
90
toroidais permite reduzir o comprimento dos condutores não activos e, consequentemente, os
requisitos em termos de espaço entre o veio da máquina e o raio interno do estator (Figura 3.10).
Figura 3.10: Espaço disponível para a disposição dos enrolamentos entre o veio da máquina e o raio interno; (a)
enrolamento a duas camadas com uma ranhura por pólo e por fase; (b) enrolamento concentrado num estator com
Dk 0,6 [Figura original de Parviainen (2005), p. 23].
Podem ainda surgir limitações relacionadas com a largura dos dentes; do ponto de vista do
projecto da máquina, é conveniente que a largura dos dentes não seja uniforme ao longo do raio
activo da máquina, para que a largura das ranhuras seja constante. Razões de diâmetros
pequenas podem conduzir a uma largura dos dentes excessivamente grande no raio externo e
demasiado pequena no raio interno. A utilização de uma largura dos dentes pequena no raio
interno da máquina torna a estrutura estatórica mecanicamente frágil e conduz a uma saturação
excessiva do material ferromagnético naquela zona. Configurações que utilizem estatores sem
ranhuras permitem a utilização de razões de diâmetros mais baixas que aquelas que utilizam os
estatores ranhurados.
A razão de diâmetros “óptima”, sugerida por (3.43), baseia-se unicamente na maximização do
binário electromagnético. A razão de diâmetros pode também ser utilizada para maximizar outras
características da máquina. Caricchi, et al. (1994) apresentaram um valor optimizado de Dk 0,63
para uma máquina de fluxo axial toroidal, maximizando, simultaneamente, o binário e a densidade
de binário. Num outro trabalho, ainda sobre a configuração toroidal, realizado por Huang, et al.
91
(2001), a maximização da densidade de potência é obtida para razões de diâmetros na ordem de
0,35 e 0,46, para as topologias Norte-Sul e Norte-Norte, respectivamente.
3.4.2. Diâmetro externo
O dimensionamento do diâmetro externo é estabelecido com base nas equações obtidas ao longo
das secções 3.2.2 e 3.2.3, avaliadas no diâmetro médio da máquina,
outmed out in
11
2 2 D
DD D D k . (3.44)
O valor máximo da densidade linear de corrente, avaliada no diâmetro médio da máquina, é
maxmed out
2 2 4 2
1f f
D
mN I mN IA
D D k
. (3.45)
O valor eficaz da fem induzida numa fase de um estator devida à componente fundamental da
distribuição da indução magnética associada ao sistema de excitação, de acordo com as
equações (3.12) e (3.15), é,
2 2max1 out
21
16 w f m DE k N B D kp
. (3.46)
Exprimindo a velocidade angular de rotação, r p , em rotações por minuto, ou seja,
60
2rnp
, (3.47)
a equação (3.46), é reescrita da seguinte forma:
2
2 2max1 out
21
16 30 w f r m DE k N n B D k . (3.48)
A potência aparente electromagnética, nos dois entreferros da máquina, é
elm 2S m EI . (3.49)
92
Para a ligação em série dos dois estatores, a fem total é 2E e para a ligação em paralelo a
intensidade de corrente é 2I .
Substituindo as equações (3.45) e (3.48) na expressão da potência aparente electromagnética,
obtém-se
' 3elm max1 max outD w r mS k k n B A D , (3.50)
com
3
21' 1 1
32 30D D Dk k k
. (3.51)
A potência activa útil da máquina, P , em função da potência aparente electromagnética, é
(Gieras, et al., 2004):
elmcosP S , (3.52)
onde e cos são o rendimento da máquina e o factor de potência e é a razão entre os
valores por fase da tensão nos terminais da máquina e a fem em vazio, U E 1.
Substituindo (3.50) em (3.52), obtém-se a seguinte equação para a potência útil
' 3max1 max outcos D w r mP k k n B A D . (3.53)
Esta equação de dimensionamento básica permite estimar o diâmetro externo da máquina de
IPFA para uma determinada potência, com base nas especificações eléctrica e magnética
pré-definidas dentro dos valores admissíveis típicos (densidade linear de corrente e indução
magnética máxima no entreferro, respectivamente). A densidade linear de corrente é imposta pelo
tipo de arrefecimento da máquina e a indução magnética máxima é determinada pelo material
magnético permanente a utilizar.
1 1 para o funcionamento como motor e 1 para o funcionamento como gerador.
93
Na Figura 3.11, apresenta-se a evolução do diâmetro externo em função da potência útil e da
razão de diâmetros, Dk . Fixando a razão de diâmetros no valor “óptimo”, o diâmetro externo é
avaliado em função da potência útil e da velocidade de rotação, de acordo com a Figura 3.12.
Dout m
Dk P W
Figura 3.11: Diâmetro externo em função da potência útil e da razão de diâmetros, Dk ; coswk 0,8; 0,9;
rn 300 min-1; 2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m.
Dout m
P W rn 1min
Figura 3.12: Diâmetro externo em função da potência útil e da velocidade de rotação; coswk 0,8; 0,9; 1 3Dk ;
2m ; max1B 1 T; maxA 8 kA/m.
Dado que 3outD P , o diâmetro externo aumenta lentamente com o aumento da potência, o que
é um indicador favorável para a utilização da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial em
aplicações com potências médias ou elevadas. Da análise dos resultados da Figura 3.12,
verifica-se que os requisitos em termos de diâmetro externo diminuem com o aumento da
velocidade.
94
3.4.3. Dimensões axiais
As dimensões axiais, definidas na Figura 3.13, com o passo polar e a largura do pólo avaliados
para o diâmetro médio da máquina, definido por (3.44), são estimadas através de um projecto
magnético simplificado.
A ponto de funcionamento dos ímanes permanentes, ,m mH B , é imposto pela linha de carga do
circuito magnético, obtida por aplicação da lei de Ampère ao circuito em análise, que, na hipótese
simplificativa da permeabilidade infinita do ferro macio dos estatores, é
4 4 0m mH l Hg , (3.54)
sendo H o campo magnético no entreferro.
yl
2 ml
grl
m Figura 3.13: Sector axial planificado no diâmetro médio da máquina de IPFA com duplo entreferro e rotor interno.
Considerando que não há componente tangencial da indução magnética no entreferro, tal que a
indução máxima é max mB B , e atendendo a que o fluxo magnético é conservativo, sujeito à
hipótese simplificativa de o fluxo de fugas ser nulo, o fluxo que os ímanes estão a fornecer, ao
longo de um comprimento infinitesimal na direcção radial, dr , em torno do diâmetro médio, é
medm m md B dr B dr , (3.55)
donde resulta
medm
m m mB B B
. (3.56)
95
Atendendo à equação constitutiva no espaço do entreferro, 0B H , e substituindo (3.56) em
(3.54), obtém-se a linha de carga do circuito magnético,
0
m m
m m
B l
H g . (3.57)
A intersecção da linha de carga com a característica de desmagnetização dos ímanes, modelada
pela equação
0m m rB H B , (3.58)
define o ponto de funcionamento estático dos ímanes, como representado na Figura 3.14. Neste
modelo dos ímanes assume-se que a característica de desmagnetização é linear em toda a sua
extensão e que a permeabilidade relativa de restabelecimento, ,r rec , é unitária.
m
m
l
g
B
0H
rB
0 cH
mB
0 mH
Figura 3.14: Característica de desmagnetização dos ímanes permanentes e linha de carga do circuito magnético.
A consideração do ferro do estator sujeito à saturação, com uma permeabilidade relativa finita, e
do fluxo de fugas dos ímanes é ponderada frequentemente através de factores de correcção
(Campbell, 1994), tal que
,
1msat
m u
k
, (3.59)
,
1m
m u
k
, (3.60)
96
sendo m a fmm devida aos ímanes, ,m u a fmm útil no entreferro, m o fluxo que os ímanes
fornecem e ,m u o fluxo útil.
O efeito destes factores no ponto de funcionamento dos ímanes traduz-se na modificação das
equações (3.54) e (3.56) para
0m m satH l k Hg , (3.61)
medm mB k B , (3.62)
respectivamente, o que resulta na modificação da linha de carga para
0
m m
m sat m
kB l
H k g
. (3.63)
Da análise de (3.61) e (3.62), verifica-se que uma queda significativa da fmm no ferro do estator
pode ser compensada aumentando o comprimento dos ímanes na direcção axial e uma redução
excessiva do fluxo magnético no entreferro devido ao fluxo de fugas é compensado com o
aumento do coeficiente polar. A inclusão destes efeitos no projecto magnético da máquina é
tratada no Capítulo 4.
A análise simplificada do circuito magnético permite estimar o comprimento axial dos ímanes
permanentes, que em função da indução de remanência dos ímanes e da indução magnética no
entreferro pretendida, obtido por manipulação das equações (3.54) (3.56) e (3.58), é
med
1
mm
rm
gl
BB
. (3.64)
O comprimento axial do núcleo do ferro do estator, yl , é determinado atendendo à restrição da
indução magnética máxima permissível no ferro macio, imposta pela indução de saturação, sB .
Para induções de trabalho no ferro do estator da ordem de grandeza da indução de saturação, a
permeabilidade decresce rapidamente, o que se traduz em elevadas quedas da fmm.
97
Sendo o fluxo máximo no entreferro max maxmd B dr e o fluxo máximo admissível no ferro do
estator y y sd l B dr , o comprimento mínimo do ferro do estator é avaliado atendendo que
max 2 y , ou seja,
max
2m
ys
Bl
B
. (3.65)
A determinação das dimensões axiais da máquina foi efectuada desprezando o efeito das
ranhuras no valor da indução magnética no entreferro. O aumento da relutância do entreferro nas
zonas das ranhuras conduz a valores da indução magnética inferiores aos obtidos na ausência
daquelas. A inclusão do efeito das ranhuras na indução magnética é realizado através do
coeficiente de Carter, substituindo o comprimento do entreferro físico, g , por um entreferro maior,
dado por
C Cg k g . (3.66)
A determinação do coeficiente de Carter é apresentada no Anexo A e a sua utilização pressupõe o
conhecimento das grandezas associadas às ranhuras, viável após a definição do circuito eléctrico
da máquina.
3.5. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS MÁQUINAS DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL E RADIAL
Uma análise comparativa entre máquinas com topologias díspares é sempre controversa devido à
existência de variáveis estruturais não duais, que se procura minimizar através de uma escolha
adequada das topologias adoptadas para as máquinas. Assim, a análise comparativa aqui
proposta, é realizada em termos das densidades de binário da máquina de Ímanes Permanentes
de Fluxo Axial (IPFA), com um entreferro, e da máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Radial
(IPFR), com o rotor interno.
98
Ambas as configurações utilizam os ímanes permanentes dispostos na superfície rotórica,
admitindo que daí resulta a mesma forma de onda da indução magnética no entreferro e
desprezam-se as componentes harmónicas daquela, para o modo de funcionamento sinusoidal
das duas máquinas.
O modelo comparativo utiliza as equações de dimensionamento da máquina de IPFA obtidas na
secção anterior, adaptadas à topologia agora em estudo, com as dimensões propostas na Figura
3.15 (a), e a seguir reproduzidas:
binário electromagnético,
2
( ) ( ) 3 2elm max max1 out 1 1 sin
8A A
w m D DT k A B r k k ; (3.67)
comprimento do núcleo de ferro do estator, igual ao do núcleo ferro magnético macio do
rotor,
( ) out max11
4A D m
ys
r k Bl
pB
; (3.68)
comprimento dos ímanes e do entreferro, expressos em função do comprimento do núcleo
do estator, através de um coeficiente mgk , tal que
( ) ( )A Am mg yl g k l ; (3.69)
volume da máquina, excluindo os enrolamentos não activos e o volume do ferro
ranhurado,
( ) 2 ( )out 2A A
mg yV r k l ; (3.70)
Das equações anteriores, a densidade de binário da máquina de IPFA, com um entreferro, é
( ) 2max max1( )
max1
1 sin
2 2
Aw m DA
mmg
s
pk A B k
Bk
B
. (3.71)
99
2r
1r
(b)
outr
inr
( )Ay ml l g
(a)
( )Ayl
l
Figura 3.15: Dimensões das máquinas de ímanes permanentes; (a) máquina de IPFA; (b) máquina de IPFR.
As equações de dimensionamento da máquina de IPFR, estabelecidas em função das dimensões
representadas na Figura 3.15 (b), são obtidas de forma similar que as da máquina axial,
resultando sucessivamente:
densidade linear de intensidade de corrente máxima,
( )max
1
2 fR mN IA
r ; (3.72)
valor máximo da fem induzida,
( )max 1 max1
Rr w f mE k N rl B ; (3.73)
binário electromagnético,
2( ) 2 ( )
elm 1 max max1 sin2
R Rw mT k r lA B
; (3.74)
comprimento radial do estator, desprezando o comprimento das ranhuras,
1 max12 1 2
m
s
r Br r
pB
; (3.75)
volume da máquina, excluindo os enrolamentos não activos e o volume de ferro ranhurado,
100
2
( ) 2 max11 1
2R m
s
BV r l
pB
. (3.76)
A densidade de binário da máquina de IPFR é
( )( ) max max1
2
max1
sin
2 12
RR w m
m
s
k A B
BpB
. (3.77)
Nos pressupostos de que as máquinas têm o mesmo coeficiente polar e o mesmo valor da
amplitude da componente fundamental da indução magnética, como proposto anteriormente, que
a indução de saturação do ferro macio é a mesma e que os enrolamentos conduzem a uma
igualdade das densidades lineares máximas de intensidade de corrente, a razão entre as
densidades de binário, obtida a partir de (3.71) e (3.77), é
2
2max1( )
( )max1
1 12
2
m DAs
R
m mgs
Bp k
p BB
kB
. (3.78)
Desta equação verifica-se que existem três variáveis que afectam a razão entre as densidades de
binário das duas configurações: o número de pares de pólos, p , a razão entre a componente
fundamental da indução magnética no entreferro e a indução de saturação do ferro macio,
max1 sB B , e o coeficiente polar, m . A razão max1 sB B apresenta valores típicos em gamas bem
definidas, então ( ) ( )A R é investigada em termos do coeficiente polar e do número de pares de
pólos, cujos resultados são apresentados na Figura 3.16.
101
( )
( )
A
R
pm
Figura 3.16: Razão entre as densidades de binário das máquinas de ímanes permanentes de fluxo axial e de fluxo radial;
max1 sB B 0,67; Dk 0,6; mgk 0,8.
Dos resultados obtidos, verifica-se que a densidade de binário da máquina de IPFA atinge valores
superiores à densidade de binário da máquina de IPFR a partir da utilização de quatro pares de
pólos, desde que o coeficiente polar não exceda 0,8. Os coeficientes polares utilizados nas
máquinas eléctricas são tipicamente inferiores àquele valor, de forma a minimizar o fluxo de fugas
entre ímanes adjacentes, pelo que é possível generalizar a superior densidade de binário da
máquina de IPFA para projectos com um número de pares de pólos superior a quatro. De referir
ainda que o aumento da densidade de binário da máquina de IPFA comparativamente à da
máquina de IPFR é mais evidente em projectos com um número elevado de pólos, quadruplicando
para vinte pares de pólos, o que é um indicador favorável à sua utilização em aplicações de baixas
velocidades, como já salientado em abordagens qualitativas anteriores.
3.6. RESUMO
Os fundamentos da máquina de IPFA, apresentados neste capítulo, foram direccionados para o
estabelecimento preliminar do projecto, e forneceram o suporte para análises comparativas entre
os modos de funcionamento sinusoidal e quadrilateral, assim como entre as configurações das
máquinas de IPFA e IPFR.
102
A análise dos modos de funcionamento sinusoidal e quadrilateral da máquina eléctrica de IPFA
assume particular relevância no conceito actual de produto eléctrico integrado, associado ao
desacoplamento da máquina das grandezas eléctricas da rede através de um conversor
electrónico de potência. Demonstrou-se que a densidade de binário da máquina é superior no
modo de funcionamento sinusoidal, embora o modo de funcionamento quadrilateral implique um
regime de exploração do conversor que pode inverter aquela vantagem.
O estabelecimento das equações dimensionais da máquina de IPFA, paralelamente ao
dimensionamento da máquina de IPFR, sujeitos às mesmas hipóteses simplificativas, forneceu a
base para uma análise comparativa entre as densidades de binário das duas configurações. A
densidade de binário da máquina de IPFA é superior à da máquina de IPFR em projectos com um
número de pares de pólos superior a quatro, quadruplicando em projectos com um número de
pares de pólos da ordem de vinte. Esta particularidade da máquina de IPFA adequa-a aos
sistemas de conversão de energia eólica com accionamento directo, atendendo às baixas
velocidades que caracterizam o recurso primário.
103
REFERÊNCIAS
Campbell, P.; 1994. Permanent Magnet Materials and their Application. Cambridge University Press. p. 207. Caricchi, F., et al.; 1994. Design and Constrution of a Wheel-Directly-Coupled Axial-Flux PM Motor Prototype for EVs. In IEEE Industry Applications Annual Meeting. 2-6 October, 1994. pp. 254-261. Chan, C. C.; Chau, K. T.; 1997. An Overview of Power Electronics in Electric Vehicles. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 44, n.º 1 (February, 1997). pp. 3-13. Ferreira, A. P., "Problemática e Perspectivas da Utilização do Gerador de Ímanes Permanentes na Produção de Energia Eólica", M.Sc., in Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP): Porto, Portugal, 2000. p. 183. Gieras, J. F.; Wang, R.-J.; Kamper, M. J.; 2004. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines. Kluwer Academic Publishers. p. 340. Huang, S.; Aydin, M.; Lipo, T. A.; 2001. TORUS Concept Machines: Pre-Prototyping Design Assessment for Two Major Topologies. In IEEE Industry Applications Conference, 36th IAS Annual Meeting. Vol. 3, pp. 1619-1625. Krishnan, R.; 2010. Permanent Magnet Synchronous and Brushless DC Motor Drives. CRC Press. Lipo, T. A.; Wang, F. X.; 1984. Design and Performance of a Converter Optimized AC Machine. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. IA-20, n.º 4 (July/August, 1984). pp. 834-844. Morimoto, S.; Hatanaka, K.; Tong, Y.; 1991. High Performance Servo Drive System of Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motor. In IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. pp. 463-468. Parviainen, A., "Design of Axial-Flux Permanent-Magnet Low-Speed Machines and Performance Comparison Between Radial-Flux and Axial-Flux Machines", Ph.D., in Lappeenranta University of Technology, Finland, 2005. Sebastian, T.; Mir, S.; Mohammad, I.; 2004. Electric Motors for Automotive Applications. EPE Journal. Vol. 14, n.º 1 (February, 2004). pp. 31-37. Zhang, Z.; Jianbin, H.; Yangguang, Y.; 2010. Fault-Tolerant Characteristic Analysis of a New 12-phase PM brushless DC generator. In XIX International Conference on Electrical Machines (ICEM 2010). 6-8 September. 2010. pp. 1-5.
CAPÍTULO 4
PROJECTO ANALÍTICO DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
106
ÍNDICE
4. Projecto Analítico da Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial ............................. 107
4.1. Introdução ............................................................................................................................. 107
4.2. Modelo da Máquina de IPFA ................................................................................................ 108
4.3. Projecto Magnético ............................................................................................................... 109
4.3.1. Funcionamento dinâmico dos ímanes permanentes ......................................................... 110
4.3.1.1. Variação da temperatura de funcionamento ................................................................... 111
4.3.1.2. Variação da linha de carga do circuito magnético .......................................................... 113
4.3.1.3. Modelo dos ímanes permanentes ................................................................................... 115
4.3.2. Intensidade de corrente máxima admissível não desmagnetizante dos ímanes
permanentes ................................................................................................................................... 116
4.3.3. Rede de relutâncias ........................................................................................................... 119
4.3.3.1. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes ....................................................................... 122
4.3.3.2. Fluxo de fugas do entreferro ........................................................................................... 125
4.4. Projecto Eléctrico ................................................................................................................. 127
4.4.1. Dimensionamento dos materiais activos do estator .......................................................... 128
4.4.2. Enrolamentos ..................................................................................................................... 132
4.4.2.1. Enrolamentos imbricados concentrados ......................................................................... 133
4.4.2.2. Enrolamentos concentrados fraccionários ...................................................................... 135
4.4.3. Cálculo da resistência por fase .......................................................................................... 137
4.4.4. Cálculo das indutâncias síncronas .................................................................................... 139
4.4.4.1. Indutâncias de magnetização ......................................................................................... 140
4.4.4.2. Indutância de fugas do estator ........................................................................................ 143
4.4.4.3. Indutância mútua entre os estatores ............................................................................... 144
4.5. Resumo ................................................................................................................................ 145
Referências ..................................................................................................................................... 147
107
4. PROJECTO ANALÍTICO DA MÁQUINA DE ÍMANES
PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
4.1. INTRODUÇÃO
Um dos objectivos deste trabalho é o estabelecimento de uma metodologia de projecto das
máquinas de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA). As particularidades da configuração
axial das máquinas eléctricas introduzem especificidades na aplicação das ferramentas clássicas
de projecto de máquinas eléctricas, que são tratadas e discutidas ao longo deste capítulo.
O projecto de uma máquina eléctrica não pode ser dissociado da aplicação a que se destina, pois
esta introduz requisitos no desempenho e restrições nas variáveis que condicionam as decisões
nos procedimentos a adoptar. O projecto é assim orientado para o funcionamento do gerador
síncrono trifásico para os sistemas de conversão de energia eólica com accionamento directo,
cujos requisitos foram introduzidos no Capítulo 1. A metodologia de projecto proposta tem como
configuração de base a máquina de IPFA de duplo entreferro, rotor interno com estrutura não
magnética e estatores de ferro laminado, sem perda de generalidade para outras configurações.
O domínio de validade do modelo linear dos ímanes permanentes é dependente do regime de
funcionamento dinâmico a que aqueles são sujeitos. Esta análise precede o desenvolvimento de
uma metodologia de cálculo, formalmente simples, das intensidades de corrente máximas
admissíveis, para que não ocorra a desmagnetização daqueles.
O cálculo dos valores da indução magnética no ferro dos estatores e nos entreferros da máquina é
implementado através de uma rede de relutâncias variáveis com o nível de saturação do ferro, o
que define o circuito magnético equivalente. A inclusão dos fluxos de fugas dos ímanes no circuito
equivalente encerra a discussão do projecto magnético analítico da máquina.
108
No projecto eléctrico da máquina, é realizado o dimensionamento dos materiais activos envolvidos
assim como o dimensionamento das ranhuras, em função do tipo de enrolamentos. Por fim, é
apresentado o cálculo dos parâmetros eléctricos da máquina, resistência por fase e indutâncias
síncronas.
4.2. MODELO DA MÁQUINA DE IPFA
A configuração axial das máquinas de ímanes permanentes não confere à geometria daquelas um
eixo de simetria para o estabelecimento de um modelo a duas dimensões, no pressuposto que na
terceira dimensão as grandezas são invariáveis, ou seja, mapeando o sector orientado na direcção
circunferencial no plano xy , coincidente com os percursos do fluxo útil num determinado raio da
máquina, o passo polar e a largura polar são variáveis ao longo da dimensão z .
A utilização do plano circunferencial no diâmetro médio, quando o coeficiente polar é constante ao
longo do raio da máquina, é suficiente na previsão do funcionamento e na determinação das
principais dimensões da máquina, mas pode conduzir a previsões das perdas no ferro pouco
precisas. De facto, para se maximizar o factor de preenchimento das ranhuras, estas devem ter
dimensões constantes ao longo do raio útil da máquina, o que resulta numa geometria dos dentes
variável naquela direcção, em que a área disponível para a circulação do fluxo aumenta desde o
raio interno até ao raio externo (Figura 4.1).
Figura 4.1: Estator de uma máquina de IPFA com uma geometria das ranhuras constante e largura dos dentes variável ao
longo do raio útil.
A utilização de ímanes com formas que conduzam a coeficientes polares variáveis como as
propostas na Figura 4.2 (b) e (c), em contraposição ao coeficiente polar constante associado à
109
forma dos ímanes da Figura 4.2 (a), introduz ainda uma maior distorção das grandezas
magnéticas ao longo do raio útil da máquina, como se verá posteriormente no Capítulo 7.
Figura 4.2: Formas dos ímanes das máquinas de IPFA; (a) coeficiente polar constante; (b) e (c) coeficiente polar variável.
O modelo da máquina de IPFA é melhorado utilizando vários planos circunferenciais ao longo do
raio útil da máquina, admitindo que a cada plano corresponde, na direcção radial, uma distância
r , tal que o volume de material activo total seja igual, como representado na Figura 4.3. Esta
metodologia de modelação da máquina de fluxo axial é utilizada por Cvetkovski, et al. (2000) e
Parviainen, et al. (2003). O número de planos de computação a utilizar depende do objectivo do
modelo, da forma dos ímanes e da dimensão absoluta do raio útil e deve ser estabelecido através
de uma análise de sensibilidade dos resultados ao aumento de r . A forma dos ímanes adoptada
no estabelecimento das metodologias de projecto desenvolvidas neste trabalho é a
correspondente à da Figura 4.2 (a), com um coeficiente polar constante, de forma a estabelecer-se
um paralelismo com as equações do projecto preliminar, proposto no capítulo anterior.
inr
outrz
, 1m iS
,m iS
, 1m iS
, 1m iS
,m iS
, 1m iS
r
r
r
inr
outr
, 1e iS
,e iS
, 1e iS
, 1e iS
,e iS
, 1e iS
r
r
r
Figura 4.3: Definição da geometria dos materiais activos nos diferentes planos de computação da máquina de IPFA.
4.3. PROJECTO MAGNÉTICO
O circuito magnético equivalente da máquina em cada plano de computação, permite desenvolver
um modelo preditivo simples, manipulável de forma idêntica a um circuito eléctrico. O fluxo
110
magnético é o dual da intensidade de corrente nos circuitos eléctricos, mas, ao contrário desta,
aquele não está restrito a percursos pré-estabelecidos. A principal dificuldade no estabelecimento
do circuito magnético equivalente é a definição precisa dos elementos que representam as regiões
envolventes aos percursos principais do fluxo, responsáveis pelos fluxos de fugas.
A relutância de cada elemento é definida pela sua geometria e pelos parâmetros do material
envolvido. Os ímanes permanentes e os enrolamentos do estator são modelados por fontes de
corrente e/ou tensão, recorrendo aos equivalentes de Norton e/ou Thévinin. A ligação lógica
destes elementos define a rede de relutâncias do modelo, cuja topologia é determinada pela
direcção das linhas de fluxo na máquina e na sucessão geométrica dos vários elementos.
4.3.1. Funcionamento dinâmico dos ímanes permanentes
As propriedades magnéticas dos ímanes permanentes são passíveis de serem alteradas por
qualquer combinação de influências externas, tais como variação da temperatura de
funcionamento, variação da linha de carga do circuito magnético, campos desmagnetizantes,
pressão, corrosão e/ou o tempo de exposição às condições adversas. Estas alterações podem
ser:
permanentes, quando existe degradação da microestrutura, que persistem mesmo que o
material seja remagnetizado;
irreversíveis, quando persistem após a causa ter sido removida, mas a curva de
desmagnetização original pode ser restaurada, remagnetizando o material;
reversíveis, quando reduzem temporariamente a magnetização de saturação, até que as
condições iniciais sejam restabelecidas.
A dinâmica associada ao ponto de funcionamento dos ímanes permanentes é aqui descrita em
função da variação da temperatura de funcionamento e da variação da linha de carga do circuito
magnético.
111
4.3.1.1. Variação da temperatura de funcionamento
A magnetização espontânea dos ímanes permanentes de terras raras é função da temperatura de
funcionamento, diminuindo com o aumento daquela, até ao limite máximo imposto pela
temperatura de Curie, específica para cada material, e que define a transição entre o estado
ferromagnético e o estado paramagnético, caracterizado por uma permeabilidade relativa muito
próxima da unidade. A “desclassificação” das propriedades dos materiais magnéticos devido ao
aumento da temperatura a que estão sujeitos pode ser reversível ou irreversível, dependendo
essencialmente do valor do campo coercivo intrínseco, que, para os ímanes terras raras, diminui
com o aumento da temperatura.
Como já foi referido, para um material magnético permanente caracterizado por um campo
coercivo intrínseco superior à magnetização de saturação, ci sH M , a característica de
desmagnetização é linear no segundo quadrante e ci cH H . Todavia, se ci sH M , aquela deixa
de ser linear e os campos coercivos intrínseco e normal são da mesma ordem de grandeza,
ci cH H .
Se ao ponto de funcionamento corresponder um campo magnético que atinja o valor do campo
coercivo intrínseco, a magnetização reverte o sentido e a alteração é irreversível, ou seja, as
condições iniciais de funcionamento só serão restauradas se o material for remagnetizado com um
campo magnético superior a ciH . Desde que o campo magnético esteja contido no intervalo
ci ciH H H , qualquer alteração na magnetização do material magnético é reversível.
A variação das propriedades magnéticas com a temperatura é ilustrada na Figura 4.4. Para uma
determinada linha de carga, a variação da indução magnética é reversível até uma temperatura
1T , embora o ponto de funcionamento b se situe numa característica de desmagnetização a que
corresponde uma redução do produto energético. Esta alteração é reversível, pois quando a
temperatura retomar a temperatura ambiente, ambT , as propriedades magnéticas recuperam os
seus valores iniciais. Se a temperatura aumentar para um valor superior 2T , o íman passa a
112
funcionar no ponto c , mas agora verifica-se uma perda irreversível na energia magnética: o
retorno à temperatura ambiente resulta no funcionamento numa curva de desmagnetização com
uma indução de saturação inferior à original, no ponto d . Uma remagnetização do íman permitirá
repor o funcionamento no ponto a , à temperatura ambiente. Contudo, se ocorresse uma alteração
permanente no íman à temperatura 2T (degradação da microestrutura, e.g.), o funcionamento na
curva original não poderia ser restabelecido através da remagnetização, e esta só permitiria
aumentar a indução para o valor correspondente ao ponto e , também associado a uma redução
da energia magnética comparativamente ao valor original (Campbell, 1994).
B
0H
B
T1T 2TambT
1T
2T
ambT
a
b
c
dea
b
c
de
Figura 4.4: Variação da indução magnética com a temperatura [Figura adaptada de Campbell (1994), p. 68].
Para cada material magnético, é usual atribuir valores específicos às variações percentuais
reversíveis da indução magnética e do campo coercivo intrínseco, por unidade de variação da
temperatura, na gama que o íman terá que suportar em funcionamento normal,
independentemente da temperatura original e do declive da linha de carga (Trout, 2001):
coeficiente de temperatura reversível de rB ,
1100r
Br
B
B T
e (4.1)
113
coeficiente de temperatura reversível de ciH ,
1100ci
Hci
H
H T
. (4.2)
Pela forma como são definidos, os coeficientes de temperatura pressupõem um comportamento
linear, embora a variação das propriedades magnéticas com a temperatura não o seja. Assim,
cada coeficiente deve ser acompanhado de uma gama específica de temperatura para que
aqueles sejam expressivos. Calculados a partir da medida das características de
desmagnetização a várias temperaturas de interesse, os coeficientes permitem estimar
características de desmagnetização intermédias com boa precisão.
As alterações das propriedades magnéticas que ocorrem no íman são também dependentes da
geometria do circuito magnético e os seus parâmetros dimensionais podem ser utilizados para
controlar as excursões do ponto de funcionamento com a temperatura, por aumento do declive da
linha de carga.
4.3.1.2. Variação da linha de carga do circuito magnético
Alterações da linha de carga do circuito magnético, quer por variação do declive, devido a
alterações na geometria do circuito magnético, quer por variação da abcissa na origem, imposta
pela presença de fmm no circuito magnético, impõem ao íman permanente um regime de
funcionamento dinâmico, que se traduz em excursões do ponto de funcionamento do íman.
Se a característica de desmagnetização é linear, as excursões do ponto do funcionamento do
íman no segundo quadrante traduzem-se em alterações reversíveis. Nas circunstâncias de
funcionamento a que correspondam características de desmagnetização não lineares, se o ponto
de funcionamento do íman se situar abaixo do joelho da característica de desmagnetização,
associados a valores dos campos coercivos intrínseco e normal da mesma ordem de grandeza,
aquele sofre alterações irreversíveis, só sendo possível restaurar as propriedades magnéticas
originais, remagnetizando o material, o que não é praticável na maioria das aplicações.
114
Na Figura 4.5, o íman permanente está inicialmente a trabalhar no ponto a ; uma variação na linha
de carga tal que o ponto de funcionamento se desloque para b , abaixo do joelho na curva de
desmagnetização, conduz a uma alteração irreversível, pois quando se restauram as condições de
funcionamento originais, o ponto de funcionamento não regressa a a , mas sim a c , num ciclo
histerético inferior ao original, no qual o íman funcionará reversivelmente, desde que as variações
da linha de carga não imponham um ponto de funcionamento para além de b . A variação da linha
de carga exemplificada pela linha 1 resulta de uma variação da geometria do circuito magnético e
as variações da linha de carga correspondentes a 2 e 3 são devidas à presença de fmm no
circuito, desmagnetizantes e magnetizantes, respectivamente. Uma força magnetomotriz no
circuito é desmagnetizante (magnetizante) quando o seu sentido é tal que aumenta (reduz) o valor
absoluto do campo magnético no íman permanente o que resulta numa redução (num aumento)
do fluxo magnético no circuito.
Linhas de restabelecimento
mH
mB
0 ,r rec
1
2
3
a
bc
4
min
,minrB
Figura 4.5: Funcionamento dinâmico de um íman permanente por variação da linha de carga.
Para cada ponto de funcionamento abaixo do joelho da curva de desmagnetização, define-se um
ciclo histerético menor. As porções destes ciclos que pertencem ao 2.º quadrante definem as
linhas de restabelecimento, consideradas lineares e com igual declive, independentemente da sua
ordenada na origem. Diferenciando a equação que modela a característica de desmagnetização
oB H M , obtém-se
115
0 1dB dM
dH dH
. (4.3)
Se a magnetização M não for constante, então 0 ,r recdB dH e a intersecção da linha de
restabelecimento com o eixo B ocorre para um valor inferior à indução de remanência da curva
original, correspondente a 0 sM .
O declive das linhas de restabelecimento é uma característica fundamental de um íman
permanente, explicitado pela permeabilidade magnética de restabelecimento relativa,
, 1r rec dM dH , com valores típicos entre 1,03 a 1,05 para os ímanes de NdFeB
(HitachiMetals, 2010).
A ordenada na origem da linha de restabelecimento, é determinada pelo valor mínimo da
permeância do circuito externo e/ou pela acção desmagnetizante dos campos presentes, como
exemplificado na Figura 4.5 pela linha de carga 4, utilizando as características de
desmagnetização no sistema de coordenadas normalizado para as dimensões do íman, ou seja,
fluxo magnético fornecido,
m m mB S , (4.4)
e a força magnetomotriz que lhe corresponde,
m m mH l , (4.5)
sendo mS e ml a secção e o comprimento do íman, respectivamente.
4.3.1.3. Modelo dos ímanes permanentes
Definida a permeabilidade relativa de restabelecimento, ,r rec , a característica de
desmagnetização dos ímanes, na zona em que aquela é linear, é modelada por
0 ,m r rec m rB H B . (4.6)
116
Utilizando (4.4) e (4.5) em (4.6), a característica de desmagnetização pode ser reescrita da
seguinte forma:
m m m r , (4.7)
sendo m a permeância interna do íman, dada por
0 ,
1 mm r rec
m m
S
l
. (4.8)
A equação (4.7) sugere como modelo para o íman permanente uma fonte de corrente em paralelo
com uma permeância, ou o seu equivalente de Thévinin, de acordo com a Figura 4.6 (a) ou (b),
respectivamente.
mr m
m
mr
m m
Figura 4.6: Modelos de um íman permanente; (a) equivalente de Norton; (b) equivalente de Thévinin.
No equivalente de Thévinin do modelo do íman permanente, a fmm mr corresponde à força
magnetomotriz em “circuito aberto”, ou seja, o circuito constituído unicamente pelo íman no vazio,
a actuar através da relutância interna do íman, tal que
mr r m c mH l . (4.9)
4.3.2. Intensidade de corrente máxima admissível não
desmagnetizante dos ímanes permanentes
A amplitude máxima admissível da intensidade de corrente no estator que não desmagnetiza os
ímanes permanentes, é, de acordo com o exposto anteriormente, aquela que conduz a uma força
magnetomotriz desmagnetizante de forma a que ponto de funcionamento dos ímanes não
ultrapasse o correspondente ao campo coercivo intrínseco. As características de desmagnetização
dos ímanes de NdFeB são tipicamente lineares no 2.º quadrante, ou seja, ci cH H a
117
temperaturas de funcionamento baixas e intermédias, mas, com o aumento daquela, o material
magnético pode trabalhar em curvas de desmagnetização não lineares. Como exemplo, as
características de desmagnetização do material magnético permanente de NdFeB, classe N40UH,
da Figura 2.14, sujeito a temperaturas superiores a 150 ºC, são não lineares no segundo
quadrante. Por este motivo, é desenvolvida uma metodologia que permite avaliar a intensidade de
corrente máxima admissível nas duas situações: característica de desmagnetização não linear,
c ciH H , e linear, ci cH H .
A metodologia utiliza o circuito magnético equivalente simplificado da máquina representado na
Figura 4.7, correspondente a um comprimento infinitesimal na direcção radial, dr , no qual se
assume que o ferro macio tem uma permeabilidade infinita. Nestes pressupostos, o circuito
magnético equivalente obedece a
mr I m g m . (4.10)
com
0 ,
mm
r rec m
l
r dr , (4.11)
0
Cg
gk
r dr e (4.12)
mr r m r m mB r dr . (4.13)
g g
m m
mr mr
I I
m
Figura 4.7: Circuito magnético equivalente simplificado da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial.
118
Quando as características de desmagnetização são não lineares, para que o ponto de
funcionamento dos ímanes não ultrapasse o joelho da característica de desmagnetização, ponto
a da Figura 4.8 (a), o fluxo mínimo que o íman pode fornecer corresponde a
minm m mci r , (4.14)
com mci ci mH l .
B
0H0 ciH 0 cHmaxB
B
0 0c ciH H
minB
0H
Figura 4.8: Pontos de funcionamento limite correspondentes à não desmagnetização de um íman permanente (a) com uma
característica de desmagnetização não linear e (b) com uma característica de desmagnetização linear.
Substituindo as equações (4.11) a (4.14) na equação (4.10), obtém-se a fmm desmagnetizante
máxima admissível para que os ímanes não sejam sujeitos a alterações irreversíveis:
,0
CI ci m C r rec m r m
gkH l gk B
. (4.15)
Considerando agora a situação da característica de desmagnetização linear no segundo
quadrante, a fmm desmagnetizante do estator pode deslocar o ponto de funcionamento dos
ímanes até ao ponto b no 3º quadrante (Figura 4.8 (b)). Nesta situação, o fluxo magnético inverte
o seu sentido relativamente à situação anterior, pelo que a equação do modelo magnético
equivalente e o fluxo máximo que o íman pode fornecer, são, respectivamente,
mr I m g m e (4.16)
maxm mci mc m . (4.17)
119
De forma análoga à situação anterior, obtém-se a fmm máxima admissível, dada por
,0 ,
mI r m C r rec m c ci
r rec
lB l gk H H
. (4.18)
Para um enrolamento trifásico, a amplitude do termo fundamental da fmm por pólo, I (derivada
mais à frente, na secção 4.4.2.1.), é dada por
max3 fI
N I
p . (4.19)
As equações (4.15) e (4.18), juntamente com (4.19), modelam as intensidades de corrente
máximas admissíveis para que os ímanes não sejam sujeitos a alterações irreversíveis, nos casos
de características de desmagnetização não lineares e lineares, respectivamente.
O modelo obtido é aplicável conhecidas as variáveis de projecto da máquina e as propriedades
magnéticas dos ímanes permanentes. Como estas variam com a temperatura, os valores da
indução remanente e dos campos coercivo e intrínseco a utilizar no modelo devem ser os
correspondentes à temperatura de referência correspondente à classe de isolamento da máquina.
O modelo da intensidade de corrente máxima admissível é independente das dimensões radiais
da máquina desde que o coeficiente polar seja constante ao longo do raio útil. Se o coeficiente
polar variar, a intensidade de corrente máxima deve ser avaliada no raio a que corresponde o seu
valor máximo. De referir ainda que não foi utilizado o factor de enrolamento na equação (4.19)
propositadamente, para que o valor máximo da intensidade de corrente admissível, assim
calculado, inclua uma margem de segurança. Os sistemas de protecção da máquina devem ser
dimensionados para prevenir intensidades de corrente da ordem de grandeza das calculadas.
4.3.3. Rede de relutâncias
O cálculo dos valores da indução magnética no entreferro da máquina e no ferro do estator, de
forma a avaliar se estes excedem a indução de saturação, é feito com recurso a um circuito
magnético equivalente em que se considera finita a permeabilidade do ferro do estator. A não
120
linearidade da característica de magnetização do ferro magnético é introduzida no processo de
cálculo através da implementação de um processo iterativo.
A rede de relutâncias utilizada explora a simetria axial da máquina de duplo entreferro, utilizando
um estator e meio rotor, e corresponde a um par de pólos da máquina, de forma a satisfazer as
condições de simetria correspondentes à situação da máquina em carga, impostas pelos
enrolamentos. Na Figura 4.9 é apresentada a rede de relutâncias correspondente a um passo
polar.
A rede de relutâncias assim definida permite prever a indução magnética em vários pontos da
máquina, mas, devido à baixa densidade dos elementos modelados através de relutâncias, não é
possível obter uma precisão similar à que se obtém através do modelo implementado através do
método dos elementos finitos (Capítulo 6).
Os elementos da rede de relutâncias da Figura 4.9 são determinados da mesma forma que na
secção anterior, através de
0
ii
ri i
l
w r r
, (4.20)
onde ri é a permeabilidade relativa do material do elemento, il e iw r o comprimento e a
largura de um dado elemento da máquina no plano seleccionado e r o comprimento radial do
plano seleccionado.
O problema é formulado matricialmente através de
, (4.21)
onde é o vector das fmm, é a matriz das relutâncias e é o vector dos fluxos
magnéticos.
Para cada elemento da rede de relutâncias, e uma vez determinado o fluxo magnético a partir de
(4.21), a indução magnética que lhe corresponde é avaliada através de
121
i
ii
Bw r r
. (4.22)
A permeabilidade do ferro macio é variável com a frequência e com a indução magnética, sendo
esta o resultado de (4.22), pelo que o valor final da indução magnética é obtido de forma iterativa.
O modelo da variação da permeabilidade com a indução magnética, que resulta da característica
BH do ferro laminado M470-50A1 para frequências industriais, é apresentada na Figura 4.10 e
aproximada por um polinómio de grau 5.
yl
ml
g
rl
Cgk
m
+
y y
,g q ,g d
m
mr
I
t
I
t
,g d
m
mr
I
t
s s
+
++ +
rol
rwr
row
2r
w
yu
xu
Figura 4.9: Rede de relutâncias da máquina ao longo de um passo polar. y é a relutância de um elemento do núcleo do
estator, t é a relutância de um dente, s é a relutância da abertura da ranhura, , ( )g d q é a relutância do entreferro
equivalente na direcção polar (interpolar), m é a relutância interna correspondente a meio íman, I é a fmm devida ao
enrolamento do estator e mr é a fmm devida aos ímanes permanentes em “circuito aberto”.
Como critério de paragem do processo iterativo, impôs-se um número máximo de 50 iterações ou
a condição do erro absoluto2 1
1
k k 103.
1 De acordo com a EN 10106. As características do ferro utilizado no protótipo apresentado no Capítulo 7 não correspondem às do ferro utilizado no modelo implementado.
2 1 1, ...,
1
maxn
ijj n
i
A a
122
A indução magnética correspondente à situação da máquina em vazio é avaliada com I 0.
Para a situação da máquina em carga é utilizada a fmm resultante da distribuição dos
enrolamentos, para uma estrutura com uma ranhura por pólo e por fase, de acordo com Figura
4.19 (b).
A rede de relutâncias assim definida, para o funcionamento em carga, também pode ser utilizada
para determinar a intensidade de corrente máxima admissível associada à não desmagnetização
dos ímanes, sem a simplificação da permeabilidade infinita do ferro magnético, mas o modelo
apresentado na secção 4.3.2 é formalmente simples de implementar e permite uma boa
aproximação àquele limite.
r
B T
Figura 4.10: Permeabilidade relativa em função da indução magnética do ferro laminado M470-50A.
4.3.3.1. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes
O modelo dos ímanes permanentes até aqui utilizado despreza o fluxo de fugas ao longo das
superfícies paralelas ao eixo de magnetização, assumindo que todas as linhas de fluxo originárias
num íman são perpendiculares às faces que definem os pólos. Na prática, devido aos fluxos de
fugas nos próprios ímanes, o fluxo magnético não é constante ao longo do comprimento ml ,
atingindo o valor máximo na secção transversal neutra (correspondente a y 0) e é reduzido nas
extremidades polares. O comportamento da fmm é oposto ao do fluxo, sendo mínimo na secção
transversal neutra, como representado na Figura 4.11. Daqui resulta que secções do íman
123
perpendiculares à direcção de magnetização não são equipotenciais e o fluxo magnético, m , não
está só presente nas superfícies polares, pelo que
', ,m m u m lk , (4.23)
onde ',m u é o fluxo magnético útil nas superfícies polares e ,m lk é o fluxo de fugas do próprio
íman.
0y
ml
y
ml
y
y
y
y
ml
Figura 4.11: Distribuição do fluxo magnético e da fmm ao longo do comprimento axial do íman permanente [Figura
adaptada de Gieras e Wing (2002), p. 47].
A determinação analítica dos fluxos de fugas dos ímanes só é possível simplificando os percursos
através de linhas e/ou arcos, o que produz resultados aceitáveis (Qu, Lipo, 2004). Esta técnica é
classicamente utilizada em todos os tipos de máquinas eléctricas (Lipo, 1998; Sudhoff, et al.,
2007) e é aqui adaptada à configuração da máquina de ímanes permanentes em análise, com os
fluxos de fugas modelados através de permeâncias que são facilmente adicionadas ao modelo
utilizado. Assim, para cada plano de computação, além do fluxo de fugas nos próprios ímanes
supramencionado, é também modelado o fluxo entre ímanes adjacentes, como representado na
Figura 4.12 (a), a que corresponde o modelo da rede de relutâncias representado na Figura
4.12 (b).
mlk m
mr
m
mr
2 mm
mlk
m
dll mlk
Cgk
Cgk
dyymm
Figura 4.12: (a) Fluxo de fugas nos próprios ímanes e fluxo de fugas entre ímanes adjacentes. (b) Rede de relutâncias
associada aos ímanes com a inclusão dos percursos dos fluxos de fugas.
124
O fluxo de fugas infinitesimal ao longo do arco de raio l e espessura dl é ,m lkd d , sendo
a fmm dada por 2 2m m mH l H l , donde
, 0 002 2
ml
m lk m m m
r rH l dl H l
l
, (4.24)
o que permite identificar a permeância de fugas do próprio íman, ou seja 0 r . Ao volume do
íman modelado na rede de relutâncias corresponderá a permeância
02mlk
r
. (4.25)
O fluxo de fugas entre ímanes adjacentes é modelado através da permeância associada ao
percurso de fugas entre eles, tal que
0 00
2 2ln 1
Cgk
mm Cm m
r dy rgk
y
. (4.26)
Desta equação, verifica-se que a coeficientes polares elevados correspondem valores da
permeância superiores, o que conduz a fluxos de fugas entre ímanes adjacentes consideráveis,
como seria expectável.
Em alternativa à actualização da rede de relutâncias da Figura 4.9 com a agora proposta através
da Figura 4.12 (b), as permeâncias de fugas dos ímanes, mlk e mm , podem ser adicionadas ao
modelo dos ímanes, como representado na Figura 4.13, o que simplifica o modelo global, sendo
1, ,m eq m eq m mlk mm e (4.27)
, ,mr eq m eq r . (4.28)
mr
(a) ,m u
mlk m
mm
',m u ,m eq
,mr eq
(b) ,m u
+
m
Figura 4.13: Modelo equivalente de um íman permanente, incluindo os fluxos de fugas; (a) equivalente de Norton; (b)
equivalente de Thévinin.
125
Reúnem-se agora condições para calcular analiticamente o factor de correcção do fluxo útil,
introduzido previamente na secção 3.4.3, através de
,
m
m u
k
. (4.29)
De salientar que nos planos de computação correspondentes aos raios interno e externo, o
modelo dos ímanes inclui as permeâncias correspondentes aos fluxos de fugas no próprio íman
através das superfícies interna e externa, paralelas ao veio da máquina, tal que
,in out
0,in out
m
mlkmlk
e (4.30)
,in out
0,in out,in out
2ln 1
2mm
mmmmm
l
. (4.31)
4.3.3.2. Fluxo de fugas do entreferro
Cumulativamente aos fluxos de fugas magnético próprio e entre ímanes adjacentes, parte do fluxo
que atravessa o entreferro é também de fugas, através da área da abertura das ranhuras,
modelado na Figura 4.9 através da relutância s .
Para geometrias da máquina com um passo de ranhura da ordem de grandeza da distância entre
os ímanes, ou seja r m , o valor desta relutância é variável com a posição relativa entre o
estator e o rotor, tal que
,min0
1 r rs
r ro
w
l r
e (4.32)
,max0
1 ros
ro
w
l r
, (4.33)
correspondentes às duas posições relativas indicadas na Figura 4.14.
A relutância s varia entre os limites indicados, desde que r ro r rw w , o que se verifica na
generalidade das máquinas eléctricas, devido aos valores da permeabilidade relativa do ferro,
126
mesmo que os dentes do estator atinjam níveis de saturação consideráveis (cf. com a Figura
4.10).
,mins
r
m
,maxs
r
m
Figura 4.14: Relutâncias da abertura da ranhura, no percurso do fluxo de fugas do entreferro; (a) relutância mínima; (b) relutância máxima.
O modelo da variação de s é incluído no modelo global da rede de relutâncias da máquina
(Figura 4.9) admitindo uma variação linear ao longo de um período de variação da relutância, r ,
utilizando o valor médio das relutâncias expressas por (4.32) e (4.33), ou seja,
,med0
1
2r r
s roro r
ww
l r
. (4.34)
Para a configuração e grandezas dimensionais da máquina em análise, a inclusão da variação da
relutância ,meds não introduz variações significativas nos resultados obtidos, mas em
configurações em que o coeficiente polar e/ou o passo de ranhura sejam elevados, esta variação
pode atingir valores consideráveis.
Na Figura 4.15 representa-se a variação do fluxo de fugas do entreferro para os dois limites da
relutância s , em função do coeficiente polar, sujeito à restrição r m , verificando-se um
aumento significativo do fluxo de fugas do entreferro com o aumento do coeficiente polar, quando
o percurso que lhe corresponde é modelado pela relutância mínima.
127
m
,g lk
,maxs
,mins
Figura 4.15: Variação do fluxo de fugas do entreferro em função do coeficiente polar, para as relutâncias mínima e máxima;
ro row l 0,2 cm; r 0,717 cm; r 300; 2008 A 2r rw ; 1 q 5.
4.4. PROJECTO ELÉCTRICO
O projecto dimensional do estator da máquina complementa o projecto preliminar realizado no
capítulo anterior, sendo agora orientado para o dimensionamento das ranhuras, do volume de
ferro necessário, do volume de cobre requerido e dos parâmetros eléctricos da máquina. As
grandezas raios interno e externo da máquina, densidade linear de corrente e número de espiras
por fase estão implícitas no projecto preliminar estabelecido no capítulo anterior, e a menos que
tenham sido alteradas durante o projecto magnético, são aqui utilizadas como variáveis de
entrada.
O número de espiras por fase necessário para se obter a amplitude da fem por fase requerida pelo
projecto inicial é estimado através da equação (3.15),
max
2
2 w fE k N , (4.35)
onde o fluxo magnético por pólo no entreferro da máquina devido unicamente ao sistema de
excitação por ímanes permanentes, max , é obtido da rede de relutâncias, através de
max , ,1
2N
g di g qii
, (4.36)
128
em que N é o número de planos de computação utilizados e ,g d q i é o fluxo nas relutâncias
,g d q em cada plano de computação. De salientar que, a indução magnética no entreferro sendo
não sinusoidal, o fluxo abraçado pelas espiras e a fem por espira serão também não sinusoidais.
Embora o conteúdo harmónico da fem possa ser reduzido com uma selecção adequada do tipo de
enrolamentos do estator, para que a fem em cada fase se aproxime de uma sinusóide, o conteúdo
harmónico não é totalmente eliminado. Daqui, a utilização do fluxo máximo na equação (4.35) é
imprecisa na previsão da componente fundamental da fem por fase, mas suficiente na previsão do
número de espiras, para a qual é utilizada.
4.4.1. Dimensionamento dos materiais activos do estator
O número de ranhuras por pólo e por fase, q , é determinado pelo tipo de enrolamento a utilizar e
pelo espaço disponível para alojar o número total de ranhuras por estator, Q , sendo
2
pm , (4.37)
com m 3, o número de fases utilizadas.
Definido o número de espiras por fase, o número de condutores por ranhura é
p fr
n NN
pq , (4.38)
onde pn é o número de condutores em paralelo por espira da bobina. A equação (4.38) é válida
quer para enrolamentos de uma camada quer para enrolamentos de duas camadas, diferindo
estas duas variantes no número de bobinas e no número de espiras por bobina. Um enrolamento
é de uma camada quando numa ranhura existe um só lado de bobina e é de duas camadas se em
cada ranhura existirem dois lados de bobinas diferentes (Carvalho, 1983). Um enrolamento de
uma camada utiliza 2Q bobinas e cada bobina tem um número de condutores igual ao número
129
de condutores por ranhura. Para um enrolamento de duas camadas, são utilizadas Q bobinas e o
número de condutores por bobina é 2rN .
A densidade linear de corrente máxima na máquina, no raio interno, inA , relaciona-se com a
densidade de corrente nos condutores, zJ , através de
,in
,in
z Cu r
r
J SA
, (4.39)
sendo ,Cu rS a secção útil de cobre numa ranhura e ,inr o passo de ranhura no raio interno da
máquina. A densidade de corrente zJ é estabelecida através de dados empíricos em função do
sistema de arrefecimento utilizado e do tipo de máquina, incluindo a gama de potência. Assumindo
condutores em cobre, Pyrhönen, et al. (2008) propõem valores de referência para as densidades
de corrente permitidas nas máquinas eléctricas, em função do tipo de arrefecimento, embora não
definam as gamas de potência em que são aplicáveis. Para as máquinas de ímanes permanentes,
sugerem valores mínimos de densidades lineares de corrente na ordem de 30 kA/m e densidades
de corrente de 3 A/mm2, quando se utiliza um sistema de arrefecimento natural. Estes valores
podem ser usados como referência, embora tenham que ser validados em função da potência da
máquina em projecto, das suas dimensões, e da capacidade de transferência de calor.
Definido o número de condutores por ranhura, através de (4.38), e a secção útil de cobre numa
ranhura, por (4.39), onde ,in in2r r Q , estima-se a secção útil de cada condutor de cobre, ,c uS ,
através de
,,
Cu rc u
r
SS
N , (4.40)
sujeito à restrição de que a secção das ranhuras, estimada por
r cr
r
N SS
k , (4.41)
130
seja exequível no espaço disponível. A resistência mecânica mínima dos dentes do estator é
geralmente satisfeita utilizando uma largura da ranhura ,in 2r rw (Krishnan, 2010), o que,
juntamente com (4.41), define o comprimento axial da ranhura, rl .
Na equação (4.41), cS é a secção do condutor incluindo o isolamento, portanto, superior a ,c uS ,
sendo ambas referenciadas em tabelas de fabricantes, (Heermann, 2010) e.g.; o factor rk é o
factor de preenchimento da ranhura que é dependente da forma das ranhuras, do nível de tensão
da máquina, do tipo de enrolamento (uma ou duas camadas), do processo construtivo e da forma
dos condutores. Para condutores com secção circular, o factor de preenchimento máximo é dado
pela razão entre a área transversal do condutor e a área do quadrado que a engloba, ou seja
2
,max 2
2 0,794
c
rc
D
kD
. (4.42)
Os valores numéricos de factores de preenchimento referenciados na literatura encontram-se na
gama de 0,4 a 0,6 (Cavagnino, et al., 2002; Hanselman, 2003; Hendershot, Miller, 1994).
Reúnem-se agora condições para estimar o volume total e a massa do ferro por estator
necessário. Os núcleos do estator em aço laminado utilizam fita de ferro enrolada numa
disposição espiral, para que a laminação seja orientada na direcção radial, como se representa na
Figura 4.16.
Figura 4.16: Núcleo de ferro laminado na direcção radial.
O cálculo da fita de ferro é estimada utilizando a espiral de Archimedes, através de
131
out
in
1 21
2s
el d
, (4.43)
com in in2 r e e out out2 1r e , sendo e a espessura da chapa ( 2e d , de acordo
com o definido na secção 2.5).
A massa de ferro necessário por estator é
Fe s y r ro Fem l l l l e d , (4.44)
em que Fed é massa volúmica do ferro.
Quanto à massa de cobre por estator, esta é estimada através de
,3Cu c u p f c Cum S n N l d , (4.45)
sendo cl o comprimento médio de uma espira de uma bobina, dado por
,in ,out2c u c cl r l l , (4.46)
em que ur é o raio útil do estator, out inur r r , e ,in outcl é o comprimento médio dos condutores
não activos no raio interno (externo), que, de acordo com a geometria da espira proposta na
Figura 4.17, vale
,in in tan2b
c bl r
, (4.47)
,out out sin 2b
cl r
. (4.48)
inr
outr
2b
,incl
,outcl
Figura 4.17: Geometria da espira alojada nas ranhuras da máquina de IPFA, com 1q ; 3b r é o passo da bobina.
132
4.4.2. Enrolamentos
Os enrolamentos utilizados em máquinas trifásicas utilizam classicamente as bobinas das três
fases distribuídas pelas ranhuras do estator de forma a aproximar a forma de onda da fmm no
espaço por uma sinusóide, quando excitados por correntes convenientes, e permitir a indução de
fem com a simetria característica do número de fases, quando sujeitos a um campo magnético.
Desta distribuição resulta o imbricamento das partes não activas dos enrolamentos nas zonas
exteriores às ranhuras. Os enrolamentos, segundo esta metodologia, podem ser concentrados
quando utilizam uma ranhura por pólo e por fase, q 1, ou distribuídos quando q 1 (Figura
4.18 (a) e (b), respectivamente).
A distribuição dos enrolamentos das fases por várias ranhuras, o encurtamento do passo da
bobina relativamente ao passo polar e a inclinação das ranhuras relativamente ao eixo polar de
meio ou um passo de ranhura, são técnicas clássicas utilizadas nos enrolamentos, visando a
obtenção de uma distribuição quasi-sinusoidal da fmm e/ou da fem induzida (Carvalho, 1983). Os
efeitos destas técnicas são incorporados no cálculo das grandezas eléctricas, afectando a soma
aritmética das fem induzidas em todas as bobinas de um enrolamento de fase, do factor de
enrolamento, wk , cuja exposição se remete para o Anexo B.
Os enrolamentos imbricados realizados a duas camadas, com bobinas de duas fases distintas a
partilharem a mesma ranhura, visam, cumulativamente às técnicas anteriormente referidas, a
obtenção de distribuições quasi-sinusoidais, através da atenuação de componentes harmónicas,
mas com factores de enrolamento mais favoráveis para a componente fundamental que os obtidos
com os enrolamentos de uma camada (Carvalho, 1983).
A utilização destas técnicas é extremamente eficaz na redução do conteúdo harmónico, embora
reduzam também o valor eficaz da componente fundamental da fem induzida. As limitações do
projecto associadas a uma máquina com um número elevado de pólos restringem a
implementação destas técnicas, pelo reduzido espaço disponível para alojar o número de ranhuras
por pólo e por fase necessário. Outras limitações são o aumento dos custos de fabrico e a
133
dificuldade na inserção das bobinas nas ranhuras devida à limitação do espaço disponível no raio
interno da máquina de IPFA para dispor os condutores não activos, como anteriormente referido.
2
2
a c b a c b
1a 2a 1c 2c 1b 2b 1a 2a 1c 2c 1b 2b
Figura 4.18: Tipos de enrolamentos imbricados utilizados nas máquinas de ímanes permanentes; (a) enrolamentos
concentrados, q 1; (b) enrolamentos distribuídos, q 2.
4.4.2.1. Enrolamentos imbricados concentrados
Quando o espaço disponível no estator permite apenas a utilização de uma ranhura por pólo e por
fase, a adopção de enrolamentos imbricados conduz à utilização de enrolamentos concentrados,
de acordo com a Figura 4.19 (a). Para estes enrolamentos, admitindo a utilização de ranhuras
paralelas ao eixo polar radial, o factor de enrolamento que lhes corresponde é unitário e
independente da ordem do harmónico, h . Nestas condições, a componente fundamental da fem
induzida é maximizada, mas, em contrapartida, as componentes harmónicas mantêm o seu valor
relativo à componente fundamental igual à relação entre harmónicos e a componente fundamental
da indução magnética no entreferro. A não atenuação das componentes harmónicas induzidas é a
principal desvantagem deste tipo de enrolamentos.
A forma de onda da fmm produzida no espaço por este tipo de enrolamento, quando excitados por
um sistema trifásico simétrico de intensidades de correntes, é obtida pela soma aritmética das
fmm devidas às três fases, avaliadas para um instante de tempo t correspondente a maxai I ;
max 2b ci i I (Figura 4.19 (b)). À fmm resultante correspondem as componentes harmónicas,
ímpares e diferentes de múltiplos de três, representadas na Figura 4.20 até à ordem 11.
134
2f bN i p
2f aN i p
6
6
2
2
5
6
7
6
3
2
I
2f cN i p
2f aN i p
2f bN i p
2f cN i p
(a)
(b)
maxIfN p
a ac b c b
Figura 4.19: (a) Disposição dos enrolamentos imbricados concentrados. (b) Distribuição espacial da fmm devida às
componentes fundamentais das intensidades de corrente no estator com q 1; maxai I ; max 2b ci i I .
A reacção do induzido, ditada pela fmm do estator, interage com a indução magnética do sistema
indutor, sendo esta interacção reduzida se o rotor, com os ímanes dispostos na superfície, for de
material não magnético, pois a permeabilidade relativa daquele é praticamente isotrópica e
unitária. Nestas condições, em regime normal de funcionamento, a indução magnética da reacção
do induzido no entreferro é geralmente da ordem de 10% da indução magnética devida ao sistema
indutor e os seus efeitos não são significativos (Hanselman, 2003). Por regime normal de
funcionamento, entenda-se a máquina sem um regime de saturação excessivo devido unicamente
135
ao fluxo magnético indutor, e sem avarias que conduzam a intensidades de corrente no estator
elevadas.
Considerando apenas o termo fundamental da fmm, a sua variação espacial e temporal,
correspondente a uma onda girante, é
max3, cosf
I
N It t
p
. (4.49)
I
2
3
2
1 cosI
5 cos5I
7 cos7I
11 cos11I
Figura 4.20: Componentes harmónicas da forma de onda de onda da fmm de ordem 1 até 11; max3 I ,Ih fN hp h 1,
5, 7, 11.
4.4.2.2. Enrolamentos concentrados fraccionários
Ao longo da última década, tem-se assistido à utilização de enrolamentos concentrados
fraccionários, caracterizados por q 1, nas máquinas síncronas multipolares, numa tentativa de
importar para estas as vantagens daqueles enrolamentos, frequentemente utilizados nas
máquinas de relutância e máquinas de ímanes permanentes com funcionamento quadrilateral
(Krishnan, 2010). A disposição típica destes enrolamentos é realizada a duas camadas, em que
todos os dentes são bobinados, ou a uma camada, quando os dentes são bobinados
alternadamente, de acordo com a Figura 4.21 (a) e (b), respectivamente.
136
4
4
ab ca bc b a ca bc
a b ba cc
Figura 4.21: Enrolamentos concentrados fraccionários, q 1, (a) de duas camadas e (b) de uma camada.
A utilização deste tipo de enrolamentos nas máquinas síncronas está ainda em fase de
maturação, não existindo na literatura uma abordagem consensual sobre a aplicabilidade
sistemática ao modo de funcionamento síncrono (El-Refaie, 2010), tendo surgido porém,
recentemente, algumas patentes que envolvem a utilização deste tipo de enrolamentos, como por
exemplo (Abukawa, et al., 2001) e (Gerlando, Ubaldini, 2002).
Os enrolamentos concentrados fraccionários, se não obedecerem a um projecto cuidado,
acarretam um conteúdo harmónico muito elevado, caracterizado por harmónicos de ordem par e
ímpar e mesmo sub-harmónicos, pelo que é expectável um aumento dos binários parasitas
(Salminen, 2004).
Devido ao aumento do conteúdo harmónico, que não é síncrono com o rotor, este tipo de
enrolamentos só deve ser utilizado em máquinas que possuam rotores caracterizados por uma
baixa condutividade eléctrica, de forma a limitar a indução de correntes de Foucault, sendo
frequente a utilização de rotores com ferro laminado. Acresce ainda a sobrelevação da
temperatura dos ímanes permanentes, que, pela baixa resistividade que os caracteriza, são
também susceptíveis à indução de correntes de Foucault. Embora o aumento do conteúdo
harmónico seja citado frequentemente como uma desvantagem destes enrolamentos, Gerlando, et
al. (2005; 2004) reclamam para um enrolamento concentrado fraccionário com q 0,33 um
desempenho similar ao de um enrolamento sinusoidal.
137
Os enrolamentos concentrados fraccionários permitem reduzir o comprimento dos enrolamentos
não activos, podendo atingir um terço do comprimento necessário associado aos enrolamentos
imbricados (Salminen, 2004), o que oferece uma vantagem considerável na redução das perdas
Joule da máquina. Se o peso do cobre pode ser reduzido, o custo associado à máquina também é
reduzido e a densidade de potência aumenta. Outro factor que pode contribuir para a redução dos
custos associados a máquinas com enrolamentos concentrados é a possível automação do
processo de fabrico; o projecto estatórico modular em que as bobinas são instaladas em dentes
segmentados e posteriormente associados a um núcleo, como o proposto por Magnussen, et al.
(2004), é um exemplo disso.
Estes enrolamentos são também associados a um aumento da reactância de fugas dos mesmos
comparativamente com os enrolamentos clássicos, o que é vantajoso em aplicações que
requeiram capacidade de enfraquecimento de campo. Para os sistemas de conversão de energia
eólica, esta característica não é decisiva.
Não é objectivo deste trabalho a utilização de enrolamentos concentrados fraccionários na
máquina de IPFA, mas pelas vantagens inerentes supra identificadas, este tipo de enrolamentos
constitui uma linha de investigação futura.
4.4.3. Cálculo da resistência por fase
A resistência dos condutores por fase e por estator da máquina, em corrente contínua (DC), é
avaliada através de
,
1 20f cDC Cu
Cu p c u
N lR T
n S
, (4.50)
sendo pn o número de condutores em paralelo por espira das bobinas e cl o comprimento médio
de uma espira, definidos na secção 4.4.1., fN o número de espiras por fase e por estator, Cu a
condutividade do cobre à temperatura de 20 ºC, ,c uS a secção efectiva de cada condutor, Cu o
138
coeficiente de temperatura da resistividade do cobre e T a temperatura dos enrolamentos em
regime permanente.
Além da dependência com a temperatura, a resistência depende ainda da frequência das
grandezas eléctricas do estator, devido aos efeitos de proximidade e pelicular, que ocorrem,
essencialmente, na área das ranhuras, embora estejam presentes, em menor extensão, nas
partes não activas dos enrolamentos. A corrente alternada que percorre os condutores produz um
campo magnético que atravessa a ranhura na direcção circunferencial, sendo mínimo no lado a
ranhura junto ao núcleo de ferro e máximo quando todos condutores são englobados, junto à
abertura da ranhura, como representado na Figura 4.22.
cn
H
J y
y
r rN i w
Figura 4.22: (a) Fluxo de fugas através da ranhura devido às correntes que circulam nos condutores. (b) Variação do
campo magnético ao longo do comprimento da ranhura. J y é a densidade superficial de corrente; cn é o número de
camadas de condutores na direcção axial da máquina; rN é o número de condutores por ranhura; i é a intensidade de
corrente em cada condutor da ranhura; rw é a largura da ranhura.
As correntes de Foucault induzidas nos condutores devido à presença de campos magnéticos
variáveis reduzem a secção transversal efectiva, aumentando o valor da resistência para além do
seu valor DC. O cálculo das correntes de Foucault envolve a resolução de uma equação
diferencial parcial, passível de uma solução analítica sob determinadas condições geométricas,
dada, por exemplo, em (Hague, 1962), cujo resultado, para condutores com secção circular e
ranhuras rectangulares, conduz à seguinte aproximação (Pyrhönen, et al., 2008):
42,4
0,21 0,59
9c uAC c
DC
DR n
R
, (4.51)
em que cn é o número de camadas de condutores numa ranhura na direcção axial, cD é o
diâmetro do condutor e é a profundidade de penetração na direcção radial do condutor ao longo
139
da qual o amplitude da corrente baixa para 1e do seu valor na superfície, avaliada por
Cu
2
. (4.52)
Para o cobre, à frequência de 50 Hz, 9,35 mm e para que este valor atinja 1 mm, a frequência
teria que ser da ordem de 4370 Hz, que corresponderia, em última análise, para a gama das
frequências fundamentais da aplicação em causa, a uma ordem do harmónico da corrente cuja
amplitude é desprezável. Daqui, e para máquinas de baixas velocidades e condutores com
secções reduzidas, o efeito dos campos magnéticos devido às correntes no estator na variação da
resistência por fase é desprezado.
4.4.4. Cálculo das indutâncias síncronas
A indutância síncrona de uma máquina eléctrica é a soma da indutância de magnetização (ou
mútua entre o estator e rotor) e a indutância de fugas. As indutâncias de magnetização, de acordo
com os parâmetros do modelo da máquina síncrona, proposto na secção 3.3, têm de corresponder
à geometria vista dos enrolamentos segundo os eixos directo (ou longitudinal) e em quadratura (ou
transversal). Surgem assim três parâmetros a determinar, as indutâncias de magnetização
longitudinal e transversal e a indutância de fugas, ou seja
sd md
sq mq
L L L
L L L
. (4.53)
Como se verá ao longo da secção seguinte, para a configuração da máquina de IPFA em análise,
a diferença entre as indutâncias de magnetização longitudinal e transversal é desprezável, pois o
circuito magnético é praticamente isotrópico. Tendo como objectivo uma generalização do modelo
analítico, a metodologia de cálculo das indutâncias de magnetização é desenvolvida segundo os
eixos directo, d , e em quadratura, q .
140
4.4.4.1. Indutâncias de magnetização
O método de determinação das indutâncias de magnetização é em tudo similar às abordagens
clássicas de cálculo da indutância própria de uma bobina, diferindo apenas na consideração da
fmm resultante da presença das três fases em vez da fmm devida à excitação própria da bobina.
Para um estator da máquina de IPFA, o fluxo magnético por pólo devido à componente
fundamental da fmm estatórica, segundo o eixo directo (quadratura), ,I d q , pode ser expresso de
forma similar ao fluxo magnético indutor (secção 3.2.2), através de
2 2out in, max , 1
2
2I d q I d qB r rp
, (4.54)
onde max , 1I d qB é a amplitude da componente fundamental da indução magnética no entreferro,
sendo max ,I d qB o valor máximo da mesma grandeza, segundo o eixo d q . A razão
max , 1
1,max ,
I d q
d qI d q
Bk
B (4.55)
é unitária para a disposição dos ímanes na periferia do rotor, quando se utiliza um disco rotórico
de material não magnético e diferente de um, se o disco rotórico é magnético, como se demonstra
na Figura 4.23.
,I qB
qd
,I dB
1r
N S
(a) (b)
1, 1, 1d qk k
1,
1
1,
1sin 1 sin
11 sin sin
d m m m eq m m
q m eq m m m m
k l g
k l g
,I qB
qd
,I dB
1r
N S
Figura 4.23: Formas de onda da indução magnética no entreferro, devidas à componente fundamental da fmm do estator
da máquina, com os ímanes dispostos na periferia do rotor de (a) material não magnético e de (b) material magnético [Figura adaptada de Gieras e Wing (2002), pp. 188-189].
A fmm do estator segundo o eixo d q , de acordo com (4.49), é,
141
,
3 2 w fI d q d q
k NI
p . (4.56)
A indução magnética max , 1I d qB , em função da fmm do estator é,
0
max , 1 1, max , 1, ,,
I d q d q I d q d q I d qeq d q
B k B kg
, (4.57)
onde 0 ,eq d qg é a permeância por unidade de superfície no eixo d q . Os entreferros
equivalentes nos dois eixos da máquina, para a disposição dos ímanes na superfície rotórica, são
rotor não magnético,
, ,,
meq d C sat d
r rec
lg gk k
e (4.58)
, ,eq q C sat q mg gk k l ; (4.59)
rotor magnético,
, ,,
meq d C sat d
r rec
lg gk k
e (4.60)
, ,eq q C sat qg gk k . (4.61)
O efeito da saturação do circuito magnético é incluído nas equações (4.58) a (4.61), através do
factor de saturação, , ( )sat d qk , definido pela razão entre as quedas magnéticas ao longo do circuito
segundo o eixo d q e a queda magnética no entreferro, como proposto na secção 3.4.3..
De acordo com a rede de relutâncias proposta na Figura 4.9, correspondente à estrutura axial com
o rotor de material não magnético, o factor de saturação é
no eixo d ,
, ,
,, ,
2
2g d g d t t y y
sat dg d g d
k
e (4.62)
142
no eixo q ,
, ,
,, ,
2
2g q g q t t y y
sat qg q g q
k
. (4.63)
Os factores de saturação são avaliados na situação de vazio, com a queda magnética nos dentes,
t t , calculada na direcção polar em (4.62), e na direcção interpolar, em (4.63). Porque na
configuração axial a saturação dos dentes do estator não é constante ao longo do comprimento
radial útil, o valor de ,sat d qk considerado nas expressões (4.58) e (4.59) é a média dos obtidos
através de (4.62) e (4.63) nos vários planos de computação. Na estrutura em análise, o factor de
saturação na direcção interpolar é ligeiramente superior ao da direcção polar, pois o fluxo
magnético indutor está presente nas quedas magnéticas no núcleo do estator, y y .
Os factores de saturação para a configuração do rotor magnético são obtidos de forma idêntica,
utilizando a rede de relutâncias que lhe corresponde. Nesta situação, é expectável , ,sat q sat dk k ,
pois a relutância segundo o eixo longitudinal é superior à relutância segundo o eixo transversal.
Retoma-se agora o fluxo magnético por pólo devido à componente fundamental da fmm estatórica
para definir o fluxo totalizado nos enrolamentos do estator nas direcções polar e interpolar, ou seja
,
1
2w fd q I d qk N . (4.64)
Substituindo (4.54), (4.56) e (4.57) em (4.64), e usando esta no cálculo das indutâncias de
magnetização nos eixos directo e em quadratura, obtém-se finalmente
22 2
0 out in1, 2
,
3w fd
md dd eq d
k N r rL k
I p g
e (4.65)
22 2
0 out in1, 2
,
3w fq
mq qq eq q
k N r rL k
I p g
. (4.66)
143
Para a configuração da máquina de IPFA em análise, com 1, 1,d qk k 1, wk 1, ,r rec 1, e
admitindo um nível de saturação isotrópico, tal que , ,eq d eq q eqg g g , as indutâncias de
magnetização nos dois eixos são iguais e dadas por
2 2 20 out in
23 f
md mqeq
N r rL L
p g
. (4.67)
4.4.4.2. Indutância de fugas do estator
A indutância de fugas do estator é composta pelas parcelas da indutância de fugas nas ranhuras,
rL , da indutância de fugas associada aos enrolamentos não activos, cL , e da indutância
diferencial, dL , ou seja (Gieras, et al., 2004),
2,in ,out
0 ,in ,out2 f u c cr c d r c c d
u u
N r l lL L L L k k k k
pq r r
, (4.68)
onde rk é o coeficiente da permeância de fugas das ranhuras, ,in outck é o coeficiente da
permeância de fugas dos condutores não activos e dk é o coeficiente da permeância diferencial.
As expressões abaixo indicadas para os diferentes coeficientes das permeâncias são
reproduzidos de (Gieras, et al., 2004), adaptados para a configuração do estator da máquina de
IPFA em análise, ou seja, ranhuras com a forma e dimensões de acordo com a Figura 4.9.
O coeficiente da permeância associado à indutância de fugas das ranhuras, que resulta do campo
magnético que atravessa as mesmas, como descrito na secção 4.4.3., é
21
20,1424 0,5sin 1
3r r ro ro
rr r ro
l w w lk
w w w
. (4.69)
O coeficiente da permeância de fugas dos enrolamentos não activos no raio interno (externo),
estimado através de resultados experimentais, para um enrolamento a duas camadas e de baixa
tensão, é
144
,in out
,in out,in out
20,17 1
r
cc
k ql
. (4.70)
Para um enrolamento de uma camada, na equação (4.70) admite-se ,in out ,in out 0,64r cl , do
que resulta
,in ,out 0,1c ck k q . (4.71)
Por fim, o coeficiente da permeância diferencial, que contabiliza o fluxo de fugas associado a
harmónicos espaciais de ordem superior a um, é estimado através de
2 22
2
,
10 23sin 1
27 6w
d
mC sat
r rec
qq kk
qlgk k
. (4.72)
4.4.4.3. Indutância mútua entre os estatores
A equação (4.53) e a metodologia utilizada na determinação das indutâncias de magnetização e
de fugas consideram apenas a estrutura de um estator. Nas configurações da máquina de IPFA
com duplo entreferro a presença de dois estatores leva à consideração da indutância mútua entre
eles, quando o fluxo de ligação é considerável.
Na configuração em análise, duplo entreferro e rotor interno, a relutância do circuito magnético
entre os dois estatores é elevada ( , ,2 2eq d eq qg g ), pelo que é expectável que a indutância mútua
entre eles seja desprezável. Este pressuposto é facilmente verificado através da análise formulada
pelo método dos elementos finitos, modelando a estrutura axial com os dois estatores (Capítulo 6).
A indutância mútua entre dois circuitos eléctricos, supostos iguais entre si, caracterizados pelas
indutâncias sd qL , pode ser descrita através de
2
,d q M d q sd qM k L , (4.73)
145
sendo ,M d qk o coeficiente de acoplamento magnético segundo a direcção longitudinal
(transversal), variável entre 0 e 1. O coeficiente de acoplamento magnético é máximo quando todo
o fluxo originário num circuito atravessa o outro, e nulo se aquele for desprezável (Plonus, 1986).
Quando existe um acoplamento magnético forte entre os dois enrolamentos (estruturas com o
estator interno, e.g.), o coeficiente de acoplamento é estimado através de
,
md q
M d qsd q
Lk
L , (4.74)
admitindo que o fluxo de magnetização é comum aos dois estatores e que os fluxos de fugas não
estão acoplados magneticamente.
As indutâncias síncronas longitudinal e transversal equivalentes da máquina, incluindo os dois
estatores e a indutância mútua, para a ligação em série dos dois enrolamentos, é então
, 2 2eqsd q sd q d qL L M . (4.75)
Na equação anterior, o sinal que precede o termo da indutância mútua é positivo se o fluxo
produzido pelos dois estatores tiver o mesmo sentido, e é negativo se tiverem sentidos opostos.
4.5. RESUMO
O projecto analítico da máquina de IPFA na configuração de duplo entreferro, rotor interno, foi
desenvolvido atendendo à variação dos parâmetros nas três dimensões geométricas, utilizando
planos circunferenciais ao longo do raio útil da máquina, e recorrendo à sobreposição dos
resultados obtidos nos vários planos de computação.
A análise do funcionamento dinâmico dos ímanes, imposto por variações da temperatura e/ou de
variações da carga magnética, permite definir o domínio de validade do modelo linear dos ímanes.
Embora seja expectável que os ímanes de NdFeB, utilizados neste trabalho, trabalhem com linhas
de carga que não obriguem a excursões do ponto de funcionamento para além da zona linear,
este pressuposto carece de validação. O limite máximo da intensidade de corrente do estator para
146
que não ocorram alterações irreversíveis nos ímanes foi verificado para a aplicação em causa,
através de um modelo formalmente simples, em que se despreza a influência da saturação do
ferro do estator.
O circuito magnético equivalente da configuração axial em análise foi construído através de uma
rede de relutâncias variáveis, incluindo assim os efeitos de saturação do ferro macio na previsão
da indução e do fluxo magnético nos vários elementos da máquina.
Os modelos do fluxo de fugas associados aos ímanes permanentes, foram incorporados no
modelo da rede de relutâncias, sem com isso aumentar a dimensão daquela, de forma a manter o
procedimento de cálculo expedito.
O projecto da parte eléctrica da máquina, incluindo o dimensionamento das ranhuras e dos
materiais activos, foi apresentado, indiferenciadamente, para enrolamentos de uma camada e de
duas camadas. A recente utilização de enrolamentos concentrados fraccionários nas máquinas
eléctricas sinusoidais foi aqui introduzida, identificando-se as suas principais vantagens. Pela
potencial redução das perdas Joule nas máquinas eléctricas, que é a parcela de perdas dominante
nas máquinas síncronas de IPFA para baixas velocidades, este tipo de enrolamentos é proposto
para investigação futura.
Foi ainda apresentado o cálculo analítico dos parâmetros eléctricos da máquina de IPFA, a
resistência e as indutâncias síncronas. O cálculo das indutâncias síncronas, na configuração
isotrópica em análise, demonstrou a sua invariância entre os dois eixos magnéticos da máquina.
Visando-se a generalização do modelo a outras particularidades construtivas, nomeadamente a
estruturas rotóricas ferromagnéticas, o procedimento de cálculo foi efectuado diferenciando-se as
reactâncias segundo as direcções longitudinal e transversal. Adicionalmente, e atendendo à
configuração das máquinas axiais de duplo entreferro, foi proposto um método de cálculo da
indutância mútua entre os enrolamentos dos dois estatores, que, dependendo da geometria
daquelas, pode não ser desprezável.
O projecto da máquina, em termos da distribuição da indução magnética em vazio e em carga e
das indutâncias, será retomado no Capítulo 6, com recurso ao método dos elementos finitos.
147
REFERÊNCIAS
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CAPÍTULO 5
PERDAS E TRANSFERÊNCIA DE CALOR
150
ÍNDICE
5. Perdas e Transferência de Calor ......................................................................................... 151
5.1. Introdução ............................................................................................................................. 151
5.2. Perdas Joule ......................................................................................................................... 152
5.3. Perdas no Ferro ................................................................................................................... 152
5.3.1. Modelo parcelar das perdas no ferro ................................................................................. 154
5.3.2. Modelo de Steinmetz modificado ....................................................................................... 156
5.3.3. Variação das perdas no ferro com a temperatura ............................................................. 161
5.4. Perdas Suplementares ......................................................................................................... 162
5.5. Perdas Mecânicas ................................................................................................................ 163
5.6. Perdas por Correntes de Foucault nos Ímanes Permanentes e na Estrutura do Rotor ...... 164
5.7. Modelo Térmico .................................................................................................................... 166
5.7.1. Transferência de calor ....................................................................................................... 167
5.7.1.1. Condução ........................................................................................................................ 167
5.7.1.2. Convecção ...................................................................................................................... 169
5.7.1.3. Radiação ......................................................................................................................... 171
5.7.2. Rede de resistências térmicas ........................................................................................... 173
5.8. Resumo ................................................................................................................................ 180
Referências ..................................................................................................................................... 182
151
5. PERDAS E TRANSFERÊNCIA DE CALOR
5.1. INTRODUÇÃO
Ao longo do tempo de vida útil de uma máquina eléctrica, as perdas representam uma parte
significativa do seu custo. O rendimento de uma máquina eléctrica é determinado durante as fases
do projecto e fabrico, sendo cada vez mais determinante a utilização de máquinas de elevado
rendimento. A parcela de perdas nos enrolamentos da máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo
Axial (IPFA), por efeito Joule, é a mais significativa em aplicações de baixas velocidades. Em
consequência da baixa velocidade, a frequência eléctrica da máquina é também limitada, pelo que
as perdas no ferro e as perdas mecânicas assumem valores, geralmente, inferiores às perdas
Joule. Acrescem ainda as perdas suplementares, que, pela natureza anómala dos fenómenos
envolvidos, são extremamente difíceis de quantificar, e as perdas na estrutura rotórica da
máquina, por indução de correntes de Foucault a frequências diferentes da fundamental. As
secções 5.2. a 5.6. apresentam as metodologias de previsão das perdas na máquina de IPFA.
No passado, a análise térmica das máquinas eléctricas era preterida face à análise
electromagnética. As configurações das máquinas eram similares entre si e estabelecidas em
gamas de tensão e frequência bem definidas, pelo que a análise térmica podia ser, em alguma
extensão, evitada, utilizando o conhecimento empírico de valores tipificados, massivamente
utilizados e testados experimentalmente. Com os requerimentos crescentes de configurações e
projectos orientados para frequências e gamas de tensões distintas, assim como a exploração de
novos materiais activos, a análise térmica é determinante no projecto global da máquina, dela
dependendo decisões sobre o tipo de arrefecimento requerido, o limite térmico da densidade de
corrente, o fluxo magnético e a frequência que podem ser utilizados.
As perdas máximas admissíveis, impostas por um determinado gradiente da temperatura e função
da capacidade de extracção do calor da máquina, relacionam-se, através das perdas Joule, com a
152
densidade de corrente máxima admissível. Esta relação foi estabelecida de forma empírica no
capítulo anterior, e a sua validação teórica é realizada através do modelo térmico da máquina,
apresentado na secção 5.7..
5.2. PERDAS JOULE
As perdas Joule resultam na maior parcela de perdas em máquinas de baixas velocidades, sendo
estimadas em função do valor da resistência DC, quando os efeitos pelicular e de proximidade são
desprezáveis, como demonstrado na secção 4.4.3..
Para a máquina trifásica, as perdas Joule por estator, são
223 z
J CuCu
JP RI V
, (5.1)
sendo DCR R a resistência associada ao enrolamento de um estator, definida pela equação
(4.50), ,3Cu c u p f cV S n N l o volume de cobre, de acordo com (4.45), zJ a densidade de corrente
nos condutores e Cu a condutividade do cobre à temperatura dos enrolamentos.
A equação (5.1) evidencia a relação entre a principal fonte de calor e a densidade de corrente
admissível na máquina. O aumento da densidade de corrente na máquina, com a mesma
consequência na potência e/ou binário disponíveis, implica um aumento da principal fonte de calor
em máquinas de baixas velocidades, pelo que o desempenho destas é em grande parte ditado
pela eficiência do sistema de arrefecimento.
5.3. PERDAS NO FERRO
A previsão das perdas no ferro macio das máquinas eléctricas é dificultada pela complexidade dos
fenómenos físicos envolvidos. Embora os mecanismos físicos de que derivam as perdas no ferro
sejam conhecidos e estejam actualmente bem estabelecidos, o cálculo da parcela de perdas no
ferro é ainda difícil e pouco rigoroso. As perdas no ferro são devidas a fenómenos que ocorrem à
153
escala microscópica, enquanto a previsão das mesmas utiliza pressupostos da variação da
indução magnética e das propriedades magnéticas numa escala macroscópica, que dificilmente
reflectem a realidade física.
As propriedades magnéticas do material podem variar em 30% de lote para lote, além de serem
afectadas por deformações e esforços mecânicos, aspectos geralmente ignorados nos modelos de
previsão das perdas no ferro (Hanselman, 2003). Assim, os modelos de previsão das perdas no
ferro são úteis na avaliação qualitativa das mesmas entre máquinas e configurações distintas, mas
dificilmente permitem quantificar com exactidão as perdas no material ferromagnético da máquina
eléctrica.
O modelo clássico de previsão das perdas no ferro, baseado na separação nos dois fenómenos
físicos de base, histerese e correntes de Foucault, é criticado por vários autores (Albach, et al.,
1996; Bertotti, 1988; Graham, 1982; Reinert, et al., 2001), e.g.. De facto, a variação temporal da
magnetização no ferro é discreta no tempo e no espaço, devido ao movimento de orientação dos
domínios e à estrutura cristalina do material. Mesmo para variações lentas do campo de
magnetização, como as que ocorrem na aproximação quasi-estacionária, existem variações
rápidas da magnetização, às quais estão associadas perdas energéticas, não dissociáveis em
duas parcelas distintas (Graham, 1982). Acresce ainda que as medidas experimentais das perdas
nos materiais ferromagnéticos chegam a atingir valores 50 a 100% superiores às previstas,
através das parcelas de perdas por histerese e por correntes de Foucault (Pyrhönen, et al., 2008).
A imprecisão associada à divisão parcelar das perdas no ferro atinge uma dimensão tal que as
metodologias propostas utilizam uma terceira parcela, denominada de perdas anómalas,
atribuídas à distribuição não uniforme das correntes de Foucault, superiores nas fronteiras dos
domínios (Fish, 1990), a variações temporais da direcção da magnetização, como as que ocorrem
nas zonas de transição entre os dentes e o núcleo de ferro na máquina eléctrica, e à
magnetostrição do material (variações dimensionais do material na presença de um campo
magnético).
154
Nas secções seguintes, são apresentadas as formulações de dois modelos das perdas no ferro, o
modelo parcelar das perdas por correntes de Foucault e por histerese, e o modelo utilizado neste
trabalho, baseado na formulação clássica de Steinmetz, modificada, para incluir os efeitos
harmónicos da indução magnética.
5.3.1. Modelo parcelar das perdas no ferro
As perdas no ferro baseadas na divisão parcelar das mesmas, para uma indução magnética
sinusoidal com amplitude maxB e frequência f , é expressa por
2 2 1,5 1,5max max maxFe cF h an cF h anP P P P k f B k fB k f B . (5.2)
Na parcela devida às perdas por correntes de Foucault, 2 2 6cF Fe Fek d d , sendo d a
espessura das chapas, Fe a condutividade do material magnético laminado e Fed a massa
volúmica do ferro. Os termos hk e , na parcela de perdas por histerese, são obtidos, para cada
material, por ajuste a curvas experimentais das perdas histeréticas, sendo geralmente propostos
para gamas específicas de variação da frequência e da indução magnética máxima. O coeficiente
das perdas anómalas, ank , é obtido a partir de (5.2), usando um valor experimental das perdas no
ferro para uma determinada frequência e amplitude da indução magnética sinusoidal, através de
1,5
maxan Fe cF hk P P P fB . De salientar que, nesta abordagem, a única parcela de perdas no
ferro passível de ser calculada sem recurso a testes experimentais, é a parcela de perdas devidas
às correntes de Foucault.
Esta formulação tem sido utilizada massivamente na previsão das perdas no ferro com a limitação
de ser válida, assim como o conjunto dos parâmetros associados, apenas para induções
sinusoidais. Na presença de formas de onda não sinusoidais, o raciocínio subsequente da
sobreposição dos resultados de (5.2) aplicada à expansão de Fourier da indução magnética, como
proposto por Gieras, et al. (2004), e.g., tem uma validade muito limitada devido à não linearidade
155
dos materiais magnéticos. Por outro lado, a utilização do conjunto dos parâmetros de (5.2) para
frequências elevadas é falível fora da gama em que as medidas são realizadas.
Deng (1999) propõe uma modificação da forma geral das perdas no ferro, para incluir os efeitos
harmónicos da indução magnética, nos seguintes moldes:
3 42 2
max 3 42 0 02
1 1
2 2
T TcF an
Fe hc h
dB t dB tk kP dt k k fB dt
T dt T dt
. (5.3)
Na expressão anterior, 1 22
01
TT dB t dt dt é o valor eficaz da variação temporal da indução
magnética ao longo de um período da grandeza. Demonstra-se facilmente que, para uma
distribuição da indução magnética sinusoidal, (5.3) é idêntica a (5.2). O factor de correcção hck , na
parcela das perdas por histerese, é utilizado para contabilizar ciclos histeréticos menores com uma
amplitude de variação iB , como representado na Figura 5.1, através de (Smith, Edey, 1995)
max1 0,65hc iik B B . (5.4)
iB
2T
maxB
Figura 5.1: Amplitude dos ciclos histeréticos menores na forma de onda da indução magnética não sinusoidal.
A modelação parcelar das perdas no ferro, de acordo com (5.3), embora melhore a previsão das
mesmas na presença de induções magnéticas não sinusoidais, continua dependente de
resultados experimentais, nem sempre disponibilizados pelos fabricantes, e de formulações
empíricas, como a expressão (5.4).
156
5.3.2. Modelo de Steinmetz modificado
A formulação empírica de Steinmetz (Steinmetz, 1984), dada por
maxFe mdP C f B dv , (5.5)
estabelece uma variação das perdas no ferro, por unidade de volume, com a frequência de
magnetização e com a amplitude da indução magnética, através de três parâmetros empíricos,
mC , e , dependentes da espessura das chapas, da composição química e do
processamento da liga, e também das gamas da frequência e da indução magnética utilizadas
(Albach, et al., 1996). A determinação destes parâmetros é realizada também por ajuste de curvas
às medidas experimentais das perdas totais, fornecidas pelos fabricantes, geralmente para
induções magnéticas sinusoidais com amplitudes e frequências bem definidas nas gamas
industriais. Para os materiais ferromagnéticos macios laminados usualmente empregues em
máquinas eléctricas a frequências baixas (<10 kHz), os expoentes da equação anterior têm
variações típicas nos intervalos 1 2 e 1,6 3 (Albach, et al., 1996; ArnoldMagnetics,
2010).
A inclusão da variação não sinusoidal da indução magnética é implementada através da
modificação da frequência f na equação de Steinmetz (5.5), substituindo-a por outra grandeza
directamente relacionada com as perdas, ou seja, relacionada com a variação temporal da
magnetização dM dt , expressa através de dB dt (Albach, et al., 1996; Reinert, et al., 2001).
A variação temporal da indução magnética é avaliada ao longo de um ciclo completo de
magnetização desde maxB até minB e novamente até ao ponto inicial do ciclo, através de
med
1 dB tB dB
B dt , (5.6)
com max minB B B .
Modificando a variável de integração da equação (5.6), obtém-se
157
2
med 0
1 T dB tB dt
B dt
. (5.7)
Para uma indução magnética sinusoidal, à qual correspondem os parâmetros da equação de
Steinmetz, a equação (5.7) vale
2 2med,~ max 2
BB B f f
. (5.8)
Este resultado é utilizado para normalizar a equação (5.7), quando aplicada a uma indução
magnética não sinusoidal, periódica e valor pico a pico B , relativamente a uma indução
magnética sinusoidal, com max 2B B , tal que med,~ medB B , do que resulta
med2
2eqf B
B
. (5.9)
Substituindo a frequência f da equação de Steinmetz (5.5) pela frequência equivalente, definida
por (5.9), obtém-se a energia de perdas no ferro, no período temporal correspondente a um ciclo
de magnetização, com indução não sinusoidal, ou seja
1maxFe m eqdW C f B dv . (5.10)
Finalmente, considerando que o ciclo de magnetização tem periodicidade 1T f , as perdas no
ferro no elemento de volume infinitesimal dv , avaliadas para uma indução magnética não
sinusoidal, são
1
2Fe m eq
BdP C f f dv
. (5.11)
Na máquina de IPFA em estudo, identificam-se os volumes das ranhuras e dos elementos do
núcleo do estator, definidos ao longo de um passo de ranhura, nos quais as perdas no ferro são
diferenciadas. Para o cálculo das perdas no ferro nesses volumes, através de (5.11), torna-se
necessário o cálculo do valor médio da variação da indução magnética, medB , nos diferentes
elementos.
158
Para a disposição dos ímanes na periferia do rotor, as possíveis formas de onda teóricas da
indução magnética nos dentes do estator, ao longo de um período T , dependem da relação entre
a largura equivalente do dente e a distância interpolar, como representado nas Figura 5.2 (a) a (c).
A utilização da largura equivalente do dente, em detrimento da largura física daquele, deve-se ao
facto de a transição entre o fluxo nulo e o fluxo máximo num dente, durante o movimento de
rotação da máquina, ocorrer num ângulo geométrico superior ao correspondente à largura física
do dente, tw . De facto, na presença da ranhura, o fluxo magnético indutor ladeia aquela através
dos percursos preferenciais de menor relutância dos dentes, pelo que a transição ocorre,
efectivamente, ao longo de uma distância próxima do passo de ranhura. A largura equivalente do
dente, ,t eqw , em radianos eléctricos, é dada por (Miller, Rabinovici, 1994)
,med
2 2 rot eq C
ww p k
Q D
, (5.12)
sendo p o número de pares de pólos, Q o número de ranhuras do estator, Ck o coeficiente de
Carter e row a abertura da ranhura que, em dimensões angulares, é avaliada no diâmetro médio
da máquina, medD .
Para as situações (a) e (b) da Figura 5.2, a indução magnética varia no tempo em quatro sub-
-períodos t , expressos por
, ,
2t eq t eqw w
tf
, (5.13)
sendo f a frequência eléctrica. O valor médio da variação da indução magnética é, de acordo
com (5.7),
2
,max ,maxmed
,
414t t
t eq
B fBB t
B t w
. (5.14)
159
(a)
(b)
(c)
, 2t eq mw
,maxtBm
,max ,t m t eqB w
,maxtB
,t eqw ,m t eqw
,t eqw 2 m
,maxtB
N S
m
,t eq mw
N S
m
,t eq mw
N S
m
,t eq mw
Figura 5.2: Formas de onda da indução magnética nos dentes de ferro; (a) ,t eq mw , (b) ,t eq mw , (c)
,t eq mw .
Na situação da Figura 5.2 (c) a variação da indução magnética é distinta das anteriores, com
quatro sub-períodos 1t e quatro sub-períodos 2t , tal que
,1 4
t eq mwt
f
, (5.15)
a que corresponde
1 ,max ,max,
mt t
t eq
B B Bw
, e (5.16)
2 2mt
f
, (5.17)
em que
2 ,max,
mt
t eq
B Bw
. (5.18)
O valor médio da variação da indução magnética correspondente é
160
2 2
,max1 2med 1 2
1 2 , ,
414 4 2t m
t eq t eq
fBB BB t t
B t t w w
. (5.19)
Utilizando os resultados de (5.14) e (5.19) em (5.9), a frequência de normalização equivalente
para a avaliação das perdas no ferro dos dentes do estator é
, ,,
, ,, ,
4,
42 ,
eq t t eq mt eq
meq t t eq m
t eq t eq
ff w
w
ff w
w w
. (5.20)
Quanto aos elementos de ferro do estator, a variação da indução magnética que lhes corresponde
é representada na Figura 5.3, para a qual, a frequência equivalente, é
,
8eq y
m
ff
. (5.21)
m 2m
,maxyB
Figura 5.3: Forma de onda da indução magnética num elemento do núcleo do estator.
A partir da formulação das perdas no ferro de acordo com (5.11) e tendo em consideração que
max,2t y t yB B , é possível escrever a seguinte expressão para a determinação analítica das
perdas no ferro da máquina de IPFA:
1 1, , max, , , max,
1 1 1 150 50
N n N n
Fe Fe s Fe tk eq t ti Fe s Fe yk eq y yik i k i
f fP P d V f B P d V f B
, (5.22)
em que ,Fe sP são as perdas específicas do ferro, em W/kg, à frequência de 50 Hz, sob indução
sinusoidal, Fed é a massa volúmica do ferro, f é a frequência eléctrica fundamental, t y kV é o
161
volume dos dentes (do núcleo de ferro) no plano de computação k , ,eq t yf a frequência de
normalização nos dentes (no núcleo do estator), de acordo com (5.20) e (5.21), e max,t y iB é a
indução máxima nos diferentes elementos dos dentes (núcleo do estator) do plano k . As induções
máximas aqui utilizadas são as obtidas através da rede de relutâncias, descrita na secção 4.3.3..
As perdas específicas do ferro e o parâmetro são obtidos por ajuste à curva disponibilizada
pelo fabricante para o material laminado M470-50A, sob indução sinusoidal à frequência de 50 Hz,
(Figura 5.4), tendo-se obtido , 1,75Fe sP W/kg, 1,6 para maxB 1 T e 2,2 para maxB 1 T.
O ajuste do parâmetro é realizado através da variação das perdas específicas do ferro na gama
de frequências de 50 a 60 Hz, a que corresponde 1,3.
,Fe sP W kg
maxB T
1,6max1,75B
2,2max1,75B
fabricante
Figura 5.4: Perdas específicas no ferro laminado M470-50A, sob indução sinusoidal à frequência de 50 Hz.
5.3.3. Variação das perdas no ferro com a temperatura
Para uma determinada indução magnética, a temperatura de funcionamento da máquina eléctrica
influencia as perdas no ferro. As perdas no ferro diminuem com o aumento da temperatura por
aumento da resistividade do ferro laminado, o que reduz a indução das correntes de Foucault. O
modelo parcelar das perdas no ferro permite a inclusão da variação das perdas com a temperatura
de forma directa, recorrendo à lei de variação da resistividade do material com a temperatura.
162
No modelo de Steinmetz modificado, a inclusão da variação das perdas no ferro com a
temperatura é realizada recorrendo à determinação dos parâmetros da lei de variação por ajuste a
resultados experimentais, como realizado por Albach, et al. (1996) para núcleos de ferrite. Smith e
Edey (1995) avaliaram a variação das perdas no ferro de máquinas de indução, para uma indução
sinusoidal de 1,5 T a 50 Hz, na gama de temperaturas de 20 a 80 ºC, em -3%, sendo portanto
pouco significativa. Acresce ainda que a não consideração da variação das perdas no ferro com a
temperatura, maximiza o valor destas, o que se traduz numa margem de segurança no projecto
térmico da máquina.
5.4. PERDAS SUPLEMENTARES
As perdas suplementares1 são perdas atribuídas a fenómenos complexos anómalos, associadas a
harmónicos espaciais da indução magnética introduzidos pelas estruturas físicas (forma das
ranhuras e tipo de enrolamentos, e.g.) na envolvente da região activa da máquina. Outras
componentes das perdas suplementares são devidas a fluxos de fugas que ligam condutores
vizinhos e partes estruturais da máquina, induzindo correntes de Foucault no ferro activo e em
outros materiais não magnéticos (Nailen, 1989; Zhan, 2010). As perdas suplementares
apresentam uma maior dependência da corrente em detrimento da dependência da tensão, ou
seja, são maioritariamente dependentes da carga.
Na ausência de um modelo eficaz para a previsão das perdas suplementares, a estimativa desta
parcela de perdas é realizada através de uma fracção da potência fornecida, fP , i.e.,
str str fP k P . (5.23)
A normalização proposta pela IEC estabelece strk igual a 2,5% para máquinas de indução com
potência nominal inferior a 1 kW, com valores decrescentes até 0,5% para 10 MW (IEC-60034,
1 “Stray load losses”, na literatura anglo-saxónica.
163
2007). A norma atribui a esta estimativa um nível de incerteza médio-alto, reservando o nível de
incerteza baixo, quando estas perdas são determinadas por via experimental. Embora a norma
não extrapole a utilização destes coeficientes para máquinas síncronas, Gieras e Wing (2002)
propõem valores da mesma ordem de grandeza para máquinas de ímanes permanentes.
5.5. PERDAS MECÂNICAS
As perdas mecânicas na máquina de IPFA, sem ventilação forçada, podem ser subdivididas em
perdas por atrito nos rolamentos e por fricção entre as superfícies em movimento e o fluido
envolvente. Estas perdas são proporcionais à velocidade de rotação, pelo que, em máquinas para
aplicações a baixas velocidades, não são determinantes. As duas parcelas de perdas mecânicas
da máquina de IPFA são estimadas recorrendo a uma formulação semi-empírica, proposta por
Gieras, et al. (2004) e Pyrhönen, et al. (2008).
As perdas por atrito nos rolamentos são dependentes das forças axiais e radiais a que aqueles
estão submetidos. Em configurações de duplo entreferro, com uma montagem cuidada dos
elementos da máquina, os esforços axiais são praticamente nulos. Os esforços radiais resultam do
peso da estrutura do rotor, incluindo o veio da máquina. Estas perdas são estimadas através de
(Gieras, et al., 2004)
, ,0,06mec a mec a r vP k n m m , (5.24)
em que o factor ,mec ak pode variar de 1 a 3 m2/s2, dependendo do tipo de rolamentos utilizado, n é
a velocidade de rotação da máquina, em min-1, rm é a massa do rotor e vm é a massa do veio.
As perdas por fricção no disco rotórico de raio externo, outr , e raio interno coincidente com o raio
do veio, vr , a rodar à velocidade n , são expressas por (Gieras, et al., 2004)
3
5 5, out
12
2 60mec f d ar v
nP c d r r
, (5.25)
onde dc é o coeficiente de resistência aerodinâmica, avaliado através de
164
3,87dc
Re , (5.26)
quando o número de Reynolds rotacional, Re , é inferior a 3 105. O número de Reynolds
quantifica a razão entre as forças inercial e de fricção e é dado por (Pyrhönen, et al., 2008)
22
60ar
outar
ndRe r
. (5.27)
Nas expressões anteriores ard e ar são a massa volúmica e a viscosidade dinâmica do fluido de
refrigeração, o ar, que, a 1 atm e 20 ºC, valem 1,2 kg/m3 e 1,74 10-5 Pa.s, respectivamente. A
formulação anterior despreza a fricção na superfície cilíndrica da periferia do rotor. Tendo em
consideração a baixa viscosidade dinâmica do ar, a parcela de perdas por fricção no disco rotórico
é geralmente desprezável.
5.6. PERDAS POR CORRENTES DE FOUCAULT NOS ÍMANES PERMANENTES E
NA ESTRUTURA DO ROTOR
A presença de harmónicos na forma de onda da indução magnética no entreferro pode induzir
correntes de Foucault nos ímanes permanentes e na estrutura rotórica de suporte dos mesmos.
O conteúdo harmónico devido à reacção do induzido é desprezável, pois a permeância
equivalente do entreferro e dos ímanes na periferia do rotor é elevada, mas a variação periódica
da permeância do entreferro, introduzida pela abertura das ranhuras, pode conduzir a um
conteúdo harmónico apreciável na forma de onda do fluxo magnético indutor. A frequência
fundamental dos harmónicos de ranhura é
60wr
Qpnf , (5.28)
ou seja, Q vezes superior à frequência eléctrica, sendo Q o número de ranhuras do estator. Por
não estarem em sincronismo com o rotor, os harmónicos de ranhura induzem correntes de
Foucault nos ímanes permanentes e na estrutura do rotor, cuja intensidade depende da
165
condutividade eléctrica dos mesmos. A condutividade dos ímanes de NdFeB é 4 a 9 vezes inferior
à do cobre, mas, ainda assim, suficientemente alta para que ocorra a indução de correntes de
Foucault. O maior perigo, decorrente destas perdas nos ímanes, é o aumento da temperatura de
funcionamento destes, o que pode levar à desclassificação das propriedades magnéticas ou
mesmo a alterações irreversíveis.
A indução de correntes de Foucault nos materiais condutores do rotor é mais significativa para
velocidades elevadas e quando o estator utiliza ranhuras abertas. A utilização de ranhuras semi-
abertas reduz substancialmente a amplitude dos harmónicos de ranhura, como se demonstra na
Figura 5.5.
2
mB
ro rw w
0,2ro rw w
Figura 5.5: Formas de onda da indução magnética devida aos ímanes permanentes ao longo de um passo polar na
presença de (a) uma ranhura aberta e de (b) uma ranhura semi-aberta.
Tendo por base as considerações anteriores, as perdas por indução de correntes de Foucault no
rotor da máquina de IPFA em análise não deverão atingir valores significativos, pelo que não
serão aqui objecto de cálculo diferenciado. De salientar que, para máquinas de elevada velocidade
e/ou com ranhuras abertas, as perdas por correntes Foucault nos ímanes e na estrutura de
suporte dos mesmos podem atingir valores significativos, pelo que se recomenda a avaliação das
mesmas, recorrendo a metodologias analíticas como as propostas por Gieras, et al. (2004) ou a
uma análise baseada em elementos finitos.
166
5.7. MODELO TÉRMICO
O comportamento térmico da máquina de IPFA é decisivo na avaliação do risco de
desmagnetização dos ímanes, por sobrelevação da temperatura de funcionamento, e da
integridade estrutural do rotor, atendendo a que os ímanes são, geralmente, colados à estrutura
rotórica, o que torna a fixação dos mesmos susceptível à temperatura.
A densidade de corrente máxima admissível é também função do regime de transferência de calor
da máquina. Em máquinas de baixas velocidades, a temperatura de funcionamento é
maioritariamente ditada pelas perdas Joule, pelo que os limites na capacidade de transferência de
calor reflectem-se na limitação da densidade de corrente na máquina.
A temperatura de funcionamento da máquina deve ainda respeitar os limites térmicos associados
ao sistema de isolamento da máquina. Os materiais isolantes são classificados em função da sua
capacidade para resistir a elevadas temperaturas (IEC-60085, 2007). O valor numérico das
classes térmicas determina a temperatura máxima recomendada em serviço contínuo (em graus
Celsius). As classes térmicas mais usuais são 130(B), 155(F) e 180(H). Se a máquina for sujeita a
sobrelevações de temperatura para além das permissíveis, o tempo de vida útil dos materiais
isolantes é reduzido exponencialmente (Pyrhönen, et al., 2008).
As particularidades construtivas das máquinas de IPFA diferenciam-nas, em termos de análise
térmica, das máquinas radiais. Salienta-se, por exemplo, o comportamento interno do fluido no
entreferro que é distinto nas duas estruturas. Embora a análise térmica das configurações radiais
esteja bem documentada e validada experimentalmente, dos quais se destacam os trabalhos de
Boglietti, Cavagnino e Staton na última década (Boglietti, Cavagnino, 2007; Boglietti, et al., 2003;
Boglietti, et al., 2006a; Boglietti, et al., 2006b; Boglietti, et al., 2008; Boglietti, et al., 2009a;
Boglietti, et al., 2009b; Staton, et al., 2005), o estudo do comportamento térmico das máquinas
axiais ainda é parco, o que aumenta o nível de incerteza em alguns parâmetros, cuja definição
depende de validação experimental.
167
Gieras, et al. (2004) e Scowby, et al. (2004) apresentam modelos térmicos para máquinas de
IPFA, duplo entreferro, estator interno, com ventilação forçada. Parviainen (2005) apresenta um
modelo térmico para uma máquina de IPFA, duplo entreferro, rotor interno, com um circuito de
circulação de água. Mais recentemente, surge um trabalho realizado através de uma análise
termo-magnética de uma máquina de IPFA, com recurso ao método dos elementos finitos
(Marignetti, et al., 2008).
5.7.1. Transferência de calor
Os mecanismos físicos de remoção do calor de uma máquina eléctrica são a condução, a
convecção, natural ou forçada, e a radiação. A transferência de calor por condução é relevante,
nomeadamente, quando a máquina é acoplada a outros elementos do sistema através de
superfícies de dimensões consideráveis. A condução desempenha também um papel importante
na transferência de calor interna na máquina. A convecção é, geralmente, o mecanismo de
transferência de calor mais significativo numa máquina eléctrica. Para elevadas densidades de
potência, torna-se necessário recorrer à convecção forçada, em que, por mecanismos adicionais,
se garante a circulação de um fluido de arrefecimento através da máquina. A percentagem de
transferência de calor por radiação é geralmente moderada, embora possa atingir valores
significativos se as superfícies forem caracterizadas por uma emissividade elevada.
5.7.1.1. Condução
A transferência de calor por condução tem por base a interacção molecular, na qual as moléculas
com uma energia superior (onde se regista uma maior temperatura) libertam energia para
moléculas adjacentes com um nível inferior de energia, e também a transferência de calor entre
electrões livres, sendo esta mais significativa quanto maior for o número daqueles, o que potencia
a boa condução de calor nos metais puros, sendo, obviamente, baixa nos dieléctricos. A
transferência de calor por condução rege-se pela lei de Fourier
thS T th , (5.29)
168
sendo th o fluxo de calor, ou seja, a quantidade de energia transferida por unidade de tempo, th
a condutividade térmica, variável com a temperatura, S a área de transferência de calor e T o
gradiente térmico. Considerando o fluxo de calor unidireccional ao longo do comprimento l de um
volume de controle, com secção S isotérmica, e uma diferença de temperatura 0 entre as
duas superfícies, a equação anterior é simplificada, obtendo-se
th thS l
. (5.30)
A razão entre a diferença de temperatura e o fluxo de calor permite especificar a resistência
térmica para a transferência de calor por condução, com analogia à resistência dos circuitos
eléctricos, obtendo-se
uth th
lR
S
. (5.31)
A resistência térmica de condução é um parâmetro concentrado utilizado para modelar a
condução através de uma região ou através de uma interface entre duas regiões distintas. Em
máquinas eléctricas, a resistência térmica de contacto entre dois materiais deve-se
essencialmente aos efeitos das rugosidades das superfícies, como exemplificado na Figura 5.6, na
interface entre a ranhura e o dente do estator da máquina de IPFA, com pontos de contacto
intercalados por lacunas de ar.
Figura 5.6: Interface entre a ranhura e o ferro do dente da máquina de IPFA.
A transferência de calor por condução ocorre através dos pontos de contacto e através das
lacunas, o que pode ser modelado por duas resistências em paralelo. Geralmente, a área de
contacto é pequena e a maior contribuição para a condução é através das lacunas (Incropera, et
al., 2007; Pyrhönen, et al., 2008).
169
O quantificação precisa das resistências de contacto é realizada através de testes experimentais,
medindo-se os coeficientes de transferência de calor por condução, ,th uh , a partir dos quais se
define a resistência de contacto, através de (Staton, et al., 2005)
,
1u
th u
Rh S
. (5.32)
Sem recurso a resultados experimentais, as resistências de contacto são modeladas por lacunas
preenchidas por ar, através de (5.31), residindo aqui um elevado grau de incerteza na previsão do
modelo térmico, tendo em consideração a imprecisão no comprimento l , que depende da
rugosidade das superfícies, da pressão e de tolerâncias utilizadas no processo de fabrico.
As principais interfaces na máquina de IPFA são condutores - material isolante - ferro do estator e
núcleo do estator - carcaça. Estas resistências térmicas são usualmente as maiores resistências
nos percursos do fluxo de calor e, como tal, são as principais responsáveis pela sobrelevação da
temperatura da máquina.
5.7.1.2. Convecção
Cumulativamente ao mecanismo de transferência de calor por condução, nas máquinas eléctricas
ocorre a transferência de calor por convecção, natural ou forçada, entre uma superfície e um fluido
em movimento. Este modo de transferência de calor inclui dois mecanismos: aditivamente à
transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia é também
transferida através do movimento macroscópico do fluido, na presença de um gradiente da
temperatura.
Na convecção forçada, são utilizados dispositivos externos que assistem o movimento do fluido
refrigerante, enquanto na convecção natural o movimento daquele é provocado por variações na
densidade, resultantes das diferenças de temperatura, i.e., à medida que aumenta a temperatura
do fluido, a densidade deste varia localmente, o que induz forças ascensionais e o movimento do
mesmo. Nas máquinas de IPFA, incorre ainda, na convecção natural, o movimento do(s) disco(s)
170
rotórico(s), que actuam como sistemas de auto-ventilação, com relevância no arrefecimento da
máquina se o projecto for orientado nesse sentido (Scowby, et al., 2004).
A utilização de dispositivos de ventilação forçada acoplados ao veio e accionados à velocidade da
máquina de IPFA, quando esta é projectada para baixas velocidades, não é eficaz no aumento
substancial da velocidade do fluido de refrigeração e raramente é utilizado (Gieras, et al., 2004). À
medida que a potência da máquina de IPFA aumenta, o diâmetro externo aumenta na proporção
de 3 P (como demonstrado na secção 3.4.2.), o que reduz significativamente a razão entre a
capacidade de dissipação de calor da máquina por convecção natural e a energia de perdas,
sendo frequente o recurso a sistemas de convecção forçada externamente alimentados. Os fluidos
de refrigeração mais frequentes são o ar e a água. A análise e metodologias aqui realizadas,
envolvendo o mecanismo de convecção, são limitadas à convecção natural, remetendo-se a
convecção forçada, para projectos futuros.
A lei de Newton para o arrefecimento estabelece um modelo simples para o cálculo da
transferência de calor por convecção, através de um coeficiente de transferência de calor, ,th vh ,
sendo
,th th vh S , (5.33)
onde th é o fluxo de calor, com o sentido definido pela diferença de temperatura positiva e S é
a área de transferência de calor. O coeficiente de transferência de calor convectivo apresenta uma
dependência complexa, não só das propriedades físicas do fluido e da sua velocidade, mas
também das dimensões da superfície por onde o calor é transferido. A previsão teórica do valor de
,th vh , aplicando balanços de quantidade de movimento e de calor, só é determinística para casos
muito simples. Devido ao número elevado de variáveis envolvidas no processo de transferência de
calor convectivo, é comum agrupar as variáveis sob a forma adimensional e estabelecer
correlações entre elas, usando dados experimentais. A vantagem de se trabalhar com correlações
empíricas, para além da redução do número de variáveis, é a sua aplicação em diversas
situações/sistemas desde que estas se situem na sua gama de validade (Incropera, et al., 2007).
171
Da equação (5.33), é possível definir a resistência térmica de convecção, através de
,
1v
th th v
Rh S
. (5.34)
Na máquina de IPFA de duplo entreferro, rotor interno, a convecção é prevalente entre a carcaça
da máquina e o ambiente, entre a superfície dos enrolamentos não activos e a envolvente destes
e entre o estator e o rotor, através do entreferro. A temperatura dos ímanes permanentes (e da
estrutura de suporte) será definida essencialmente pela transferência de calor entre o estator e o
rotor, através da região do entreferro, cumulativamente com a transferência de calor originária nas
perdas mecânicas, através do disco do rotor. Daqui, resulta a necessidade de definir com precisão
o coeficiente de transferência de calor convectivo entre o estator e o rotor, o que só é possível
através de correlação de resultados experimentais, recolhidos em condições geométricas similares
às que se pretende que modele. Os modelos sugeridos na literatura para o sistema estator – rotor
orientados axialmente, dos quais se destacam os propostos por Beretta e Malfa (2003), Boutarfa e
Harmand (2003), Harmand, et al. (2000), Howey, et al. (2009) e Pellé e Harmand (2007a) e
(2007b), não incluem o efeito das ranhuras do estator. A presença destas pode induzir um
comportamento turbulento no fluido, o que potencia a transferência de calor.
5.7.1.3. Radiação
A terceira forma de transferência de calor é a radiação electromagnética, emitida na gama de
comprimentos de onda 0,1 a 100 m , e tem a particularidade de não requerer um meio físico para
que ocorra. A radiação é descrita pela equação de Stefan-Boltzmann,
4 4, 1 2th th r SBS T T , (5.35)
sendo 1T e 2T as temperaturas absolutas das superfícies radiante e absorvente, respectivamente,
SB 5,67 10-8 W/(K4.m2) a constante de Stefan-Boltzmann e ,th r é a emissividade relativa entre
172
as superfícies emissora e absorvente. Se toda a radiação emitida pela superfície 1S atingir a
superfície 2S , a emissividade relativa é (Pyrhönen, et al., 2008)
1
, 1 2 2
1 1 11
th r th th
S
S
, (5.36)
em que 1 2th é a emissividade da superfície 1(2). A emissividade é uma propriedade da superfície
e providencia uma medida da eficiência da emissão de energia de uma superfície relativamente a
um corpo negro, para o qual a emissividade é máxima e igual a um.
Um caso particular de radiação ocorre entre uma superfície pequena, S , à temperatura absoluta
1T e outra muito maior, isotérmica, à temperatura quiescente, T . Nestes condições, prova-se que
a diferença entre a radiação e a irradiação da superfície da máquina é (Incropera, et al., 2007)
4 41th th SBS T T . (5.37)
A equação (5.37) permite modelar as trocas de energia entre as superfícies externas da máquina
e o meio ambiente. A radiação interna de uma máquina eléctrica, modelada através de (5.35) e
(5.36), é considerada relevante apenas entre as superfícies separadas por ar, dado que, como
este é pouco absorvente, o fluxo de calor é mais significativo.
É também aqui possível definir a resistência térmica por radiação, que fornece uma linearização
para este modo de transferência de calor, através de
,
1r
th r
Rh S
, (5.38)
sendo ,th rh o coeficiente de transferência de calor por radiação, correspondente a
4 41 2
, ,1 2
th r th r SB
T Th
T T
. (5.39)
173
5.7.2. Rede de resistências térmicas
A distribuição da temperatura numa máquina eléctrica é o resultado dos processos de
transferência de calor no interior da mesma e desta para o meio envolvente. Uma forma simples
de lidar com o problema de transferência de calor numa estrutura complexa como a máquina
eléctrica, é o recurso ao circuito térmico equivalente, que é suficiente para os propósitos do
projecto daquela, ou seja, guiar o projectista nos valores da densidade de corrente eléctrica, fluxo
magnético e frequência que podem ser utilizados, e na definição do fluxo do fluído de refrigeração,
no caso de sistemas de convecção forçada.
Os circuitos térmicos equivalentes estabelecem uma analogia com os circuitos eléctricos, através
da dualidade entre quantidade de calor e carga eléctrica, fluxo de calor e intensidade de corrente,
densidade de fluxo de calor e densidade de corrente, diferença de temperatura e diferença de
potencial, resistência térmica e resistência eléctrica, fonte de calor e fonte de corrente e também
entre capacidade térmica e capacidade eléctrica. Relativamente a esta última, importa clarificar
que a quantidade de calor, thQ , acumulada num corpo de massa m , é
th pQ mc , (5.40)
sendo pc a capacidade específica de calor do material e o aumento da temperatura causado
por thQ . Através das analogias estabelecidas entre os circuitos térmico e eléctrico, facilmente se
verifica que a capacidade térmica de um determinado corpo é th pC mc . O circuito térmico
equivalente aqui proposto para a máquina de IPFA é desenvolvido para a análise em regime
permanente e, como tal, as capacidades térmicas da máquina são omissas.
A rede de resistências térmicas da máquina de IPFA é desenvolvida tendo por base alguns
pressupostos, a seguir apresentados, e que definem o domínio de validade da mesma.
As resistências térmicas propostas anteriormente, através das equações (5.31) e/ou (5.32), (5.34)
e (5.38), esta última, em conjunto com (5.39), são definidas através de coeficientes, em rigor,
variáveis com a temperatura, pelo que a resolução da rede de resistências térmicas é um
174
problema não linear. Na análise efectuada, a condutividade térmica e o coeficiente de
transferência de calor convectivo são considerados constantes e definidos numa gama de
temperaturas expectáveis e usuais em máquinas eléctricas, pelo que o erro que se comete, com a
introdução da sua invariância com a temperatura, é desprezável. As resistências térmicas por
radiação apresentam, na sua formulação, uma dependência considerável das temperaturas
envolvidas, pelo que são consideradas variáveis no modelo e calculadas recursivamente na
resolução da rede de resistências térmicas.
Como o modelo térmico é desenvolvido excluindo a convecção forçada, o problema é iterado,
ajustando as perdas Joule até que a sobrelevação da temperatura no nó que modela a carcaça
seja inferior ou igual a 40 K, definido-se assim o limite térmico da densidade de corrente máxima
admissível nas ranhuras da máquina. A sobrelevação da carcaça de 40 K é escolhida tendo em
consideração a aplicação em causa da máquina de IPFA, para a qual se admite que as superfícies
expostas podem atingir 60 ºC, para uma temperatura ambiente quiescente de 20 ºC. Aplicações
distintas, como as industriais ou propulsão eléctrica, devem considerar temperaturas quiescentes
diferentes da temperatura ambiente.
Assume-se uma simetria térmica circunferencial e também uma simetria em torno do plano radial
médio da máquina (a meio do rotor). Neste pressuposto, desprezam-se as resistências térmicas
de contacto do acoplamento mecânico no veio e da carcaça a outros dispositivos.
A anisotropia do ferro laminado é utilizada para reduzir a complexidade do circuito equivalente, ou
seja, despreza-se a condutividade térmica do ferro na direcção radial, admitindo-se que o calor é
transmitido na direcção axial da máquina. O ferro laminado apresenta condutividades térmicas
perfeitamente distintas nas duas direcções, 22 a 40 W/(m.K) na direcção da laminação e apenas
0,6 W/(m.K) na direcção perpendicular à aquela, o que valida a simplificação considerada.
As perdas no ferro são geradas de forma distribuída e uniforme em cada volume de controle
(dentes e núcleo do estator), através do qual se processa a transferência de calor, suposta
unidimensional, na direcção axial da máquina. Em consequência, o fluxo de calor não é constante
175
e independente da coordenada espacial, pelo que o conceito de resistência térmica de condução
não modela de forma cabal a transferência de calor.
Utilizando a equação da difusão de calor unidireccional, para o volume de controle da Figura 5.7,
com uma geração uniforme de energia (Incropera, et al., 2007),
2
20
2Fe
th
T P
x lS
, (5.41)
e as condições de fronteira assimétricas, definidas por 1T l T e 2T l T , a distribuição da
temperatura é definida por
2
2 1 2 12
14 2 2
Fe
th
P l x T T x T TT x
S l l
. (5.42)
S
x
1T
2T
0l l
T x
Figura 5.7: Transferência de calor por condução num volume de controle com geração de energia distribuída e uniforme e
condições de fronteira assimétricas.
O fluxo de calor em qualquer ponto pode ser determinado através da lei de Fourier,
2 1
2Fe
thu
P x T Tx
l R
, (5.43)
com uR igual à resistência térmica de condução do volume de controle, suposto sem geração de
energia.
A temperatura média no volume de controle, avaliada através de (5.42), é
2 1med 2 6
uFe
T T RT P
. (5.44)
Utilizando (5.43), os fluxos de calor nas extremidades do volume de controle são
176
1 21 2
Feth th
u
P T Tl
R
e (5.45)
1 22 2
Feth th
u
P T Tl
R
. (5.46)
As equações (5.44) a (5.46) sugerem um modelo de parâmetros concentrados, de acordo com a
Figura 5.8, permitindo assim a inclusão de elementos de volume com geração de energia
distribuída na rede de relutâncias.
2uR
FeP
2uR
6uR
1T 2T1th 2th
medT
Figura 5.8: Modelo de parâmetros concentrados de um volume de controle com geração de energia distribuída e uniforme.
A definição da rede de resistências térmicas com percursos de fluxo de calor paralelos no estator
para os vários planos de computação radiais considerados no Capítulo 4 permite contabilizar a
distribuição disforme das perdas no ferro ao longo do raio da máquina. Neste trabalho, isso não é
implementado, pois a complexidade acrescida pela introdução dos percursos em paralelo não se
reflecte na precisão dos resultados, tendo em consideração outras simplificações introduzidas no
modelo térmico. Todavia, recomenda-se essa metodologia se a variação da largura dos dentes ao
longo do raio útil da máquina for significativa. No cálculo das resistências térmicas cujas variáveis
dimensionais variam com o raio da máquina, utiliza-se o raio médio.
Os enrolamentos dispostos em ranhuras são termicamente anisotrópicos, quer na secção
transversal daquelas quer na direcção radial da máquina. A simplificação introduzida na
modelação dos enrolamentos considera a área transversal das ranhuras substituída por dois
materiais homogéneos, um bloco central de cobre e outro, com os materiais isolante e de
impregnação utilizado nas ranhuras, concentrado na periferia destas (Figura 5.9).
A condutividade térmica média dos materiais isolantes, para condutores com secção circular, é
estimada através de (Pyrhönen, et al., 2008)
177
, ,,med
,
c u c c uth th
c c u c
D D D
D D D
, (5.47)
onde th é a condutividade térmica dos isolantes, cD é o diâmetro total do condutor, incluindo o
isolamento, e ,c uD é o diâmetro do fio de cobre.
,c uD cD
Figura 5.9: (a) Estrutura dos condutores na ranhura. (b) Modelo simplificado com dois materiais homogéneos.
A espessura equivalente dos materiais isolantes, é calculada através de
,,
r Cu rl eq
r
S Sl
p
, (5.48)
sendo rS e ,Cu rS as secções transversais da ranhura e do material de cobre útil, respectivamente,
e rp o perímetro da ranhura.
A condutividade térmica do cobre é muito superior à do isolamento, o que permite considerar nula
a resistência térmica do cobre. A temperatura no volume do cobre é considerada uniforme e
assume-se que o calor flui das ranhuras para os dentes, mas não directamente para o núcleo do
estator. Este pressuposto é razoável tendo em consideração que a área de contacto da ranhura
com os dentes é significativamente superior à área de contacto da ranhura com o núcleo do
estator.
Os volumes de alumínio utilizados na máquina, por aquele apresentar também uma elevada
condutividade térmica, são considerados com resistência térmica nula e temperatura
uniformemente distribuída.
178
Os enrolamentos não activos da máquina apresentam uma superfície irregular, o que dificulta a
modelação da transferência de calor nestes elementos. As superfícies destes elementos, nos raios
interno e externo são aproximadas, respectivamente, por (cf. com a Figura 4.17)
, in in2 tan 22b
i eq rS r l r
e (5.49)
, out out2 sin 22b
o eq rS r l r
. (5.50)
Os parâmetros e coeficientes necessários ao modelo térmico da máquina de IPFA são estimados
empiricamente, tendo por base valores de referência e formulações documentados na literatura,
residindo aqui um grau de imprecisão elevado, especialmente quando as correlações empíricas
são referenciadas para máquinas radiais, como o caso do coeficiente de transferência de calor por
convecção para os enrolamentos não activos. Os valores de referência e formulações utilizados e
recolhidos da literatura são reportados no Anexo C.
Tendo em consideração os pressupostos e simplificações enunciados, a rede de resistências
térmicas da máquina de IPFA, cuja estrutura corresponde à do protótipo apresentado no Capítulo
7, é representada na Figura 5.10. Os subscritos utilizados nas resistências térmicas identificam os
mecanismos de transferência de calor e os elementos da máquina, de e para onde aquela se
processa, de acordo com a Tabela 5.1.
ultRurmR
vgrR
vgmR
rtmR
rtrR
vtgR
voaR roaR
vigR rigR
vraR rraR
vfaR
rfaRuyfR
,Fe tP
JP
r g,medt
c
f
,medystrP+1/2
uclR
uttR-1/6mecP1/2
uyyR-1/6
uttR1/2uttR1/2 uyyR1/2 uyyR1/2
,Fe yP strP+1/2
Figura 5.10: Rede de resistências térmicas do protótipo da máquina de IPFA (as fontes de corrente que modelam a
injecção das perdas na rede, são suprimidas e representadas por setas).
A formulação matricial do problema é realizada através da análise nodal, caracterizada por
179
thP G , (5.51)
onde P é o vector das potências de perdas injectadas, é o vector da sobrelevação da
temperatura nos nós da rede e thG é a matriz das condutâncias térmicas, em que os diferentes
elementos obedecem a
,,
1th ik
th ik
GR
e (5.52)
,0 ,
1n
th iik i th ik
GR
, (5.53)
onde o nó 0k representa a temperatura quiescente da envolvente da máquina, neste caso
considerada igual a 20 ºC (293,15 K), e n é o número de nós da rede.
Tabela 5.1: Designação das resistências da rede de resistências térmicas.
Mecanismo de transferência de
calor
Condução u
Convecção v
Radiação r
Elementos da máquina
Disco rotórico r
Ímanes permanentes m
Ambiente a
Entreferro g
Dentes do estator t
Núcleo de ferro do estator y
Condutores de cobre c
Enrolamentos não activos no raio externo o
Enrolamentos não activos no raio interno i
Isolamento e impregnação das ranhuras l
Carcaça f
No vector das potências injectadas, as perdas mecânicas consideradas são metade das perdas
mecânicas da máquina, mecP , as perdas Joule, JP , e as perdas no ferro, FeP , referem-se a um
estator da máquina e as perdas suplementares por estator da máquina, strP , são distribuídas entre
os nós relativos à injecção das perdas no ferro nos dentes e no núcleo do estator.
180
A rede de resistências térmicas, assim definida, permite prever o perfil da temperatura no interior
da máquina e estabelecer a densidade de corrente nos condutores.
Os modelos térmicos analíticos devem ser sujeitos a uma calibração, utilizando resultados
experimentais, que permitem aferir a precisão dos mesmos. O nível de discretização poderá ser
aumentado, caso os resultados teóricos e experimentais apresentem erros elevados. A
discretização refere-se ao número de resistências a considerar no modelo de alguns elementos
críticos, quer na direcção axial, quer na direcção radial. Um elemento crítico é constituído pelos
condutores nas ranhuras, aqui modelados de forma muito simplista. A abordagem utilizada para o
modelo dos elementos de ferro, com as perdas distribuídas ao longo do volume, pode ser
extrapolada para modelar a resistência térmica dos condutores na direcção radial da máquina de
IPFA.
Importa ainda referir a importância da transferência de calor por condução, através do contacto
com os outros dispositivos do sistema em que a máquina se integra, que, na ausência de
convecção forçada, pode ser significativa. O modelo da máquina pode ser melhorado com a
inclusão da condução térmica através das superfícies de contacto com elementos de suporte e
através do veio.
5.8. RESUMO
A previsão das perdas na fase do projecto da máquina eléctrica é determinante na antevisão do
rendimento e no estabelecimento do modelo térmico da máquina.
As perdas Joule, embora tenham uma formulação simplificada, variam com a temperatura, devido
à dependência da condutividade com aquela. A recursividade entre o comportamento térmico da
máquina e as perdas Joule é gerida através da resolução iterativa da rede de resistências térmicas
da máquina.
A modelação das perdas no ferro foi realizada através da formulação de Steinmetz modificada, de
forma a incluir o conteúdo harmónico da indução magnética no estator da máquina. Esta
181
formulação é uma alternativa viável à segregação das perdas no ferro, nas parcelas de perdas por
histerese e de correntes de Foucault, tendo em consideração que a informação parcelar não
introduz vantagens no projecto da máquina, além de que os procedimentos de segregação
utilizam mais aproximações e correlações empíricas que a formulação utilizada, na presença de
induções magnéticas não sinusoidais.
A estimação das perdas mecânicas foi realizada através de uma formulação semi-empírica, mas,
tendo em consideração a baixa velocidade da aplicação, estas perdas não são determinantes.
Foram ainda identificadas as parcelas de perdas suplementares e as perdas no sistema rotórico,
por indução de correntes de Foucault. As perdas suplementares são estimadas como uma fracção
da potência fornecida e as perdas por indução de correntes de Foucault no disco rotórico e nos
ímanes permanentes foram desprezadas, atendendo a que, em aplicações a baixas velocidades a
indução de correntes de Foucault é limitada e a utilização de ranhuras semi-fechadas reduz
consideravelmente a amplitude do conteúdo harmónico na indução magnética no entreferro.
O modelo térmico da máquina foi estabelecido através de uma rede de parâmetros concentrados,
em que são utilizadas resistências térmicas para modelar os diferentes mecanismos de
transferência de calor. O nível de discretização da rede de resistências térmicas pode ser
aumentado, por calibração do modelo, utilizando resultados experimentais de um conjunto de
máquinas com a configuração modelada. Acresce ainda que as correlações e parâmetros
empíricos utilizados na modelação térmica da máquina de IPFA carecem de validação
experimental, que, não sendo um objectivo deste trabalho, estabelece uma linha de investigação
futura.
182
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CAPÍTULO 6
PROJECTO ASSISTIDO PELO MÉTODO DOS
ELEMENTOS FINITOS
186
ÍNDICE
6. Projecto Assistido pelo Método dos Elementos Finitos ....................................................... 187
6.1. Introdução ............................................................................................................................. 187
6.2. O método dos Elementos Finitos ......................................................................................... 188
6.2.1. O método de Galerkin ........................................................................................................ 189
6.2.2. Análise 2D versus análise 3D ............................................................................................ 191
6.2.3. Condições de fronteira ....................................................................................................... 191
6.2.4. Discretização do domínio e precisão ................................................................................. 193
6.3. Indução magnética ............................................................................................................... 195
6.3.1. Indução magnética no entreferro ....................................................................................... 196
6.3.2. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro ................................................. 197
6.4. Indutâncias ........................................................................................................................... 198
6.4.1. Indutâncias síncronas ........................................................................................................ 198
6.4.2. Indutâncias de magnetização ............................................................................................ 200
6.4.3. Indutância de fugas nas ranhuras ..................................................................................... 201
6.4.4. Indutância mútua entre os estatores ................................................................................. 202
6.4.5. Influência do nível de saturação do ferro do estator ......................................................... 203
6.4.6. Comparação entre os resultados analíticos e os resultados obtidos pelo MEF ............... 205
6.5. Força Electromotriz em Vazio .............................................................................................. 206
6.6. Binário Electromagnético ..................................................................................................... 208
6.6.1. Binário de ranhura ............................................................................................................. 209
6.6.2. Cálculo dos binários de ranhura e electromagnético ........................................................ 210
6.7. Optimização do Volume de Material Magnético Permanente .............................................. 215
6.7.1. Fluxo totalizado em função do volume dos ímanes .......................................................... 216
6.7.2. Coeficiente polar optimizado ............................................................................................. 220
6.8. Resumo ................................................................................................................................ 223
Referências ..................................................................................................................................... 225
187
6. PROJECTO ASSISTIDO PELO MÉTODO DOS
ELEMENTOS FINITOS
6.1. INTRODUÇÃO
O recurso a ferramentas de análise baseadas no Método dos Elementos Finitos (MEF) no projecto
de máquinas eléctricas tem ganho popularidade e importância nas últimas décadas. A sua
funcionalidade não substitui o projecto analítico, mas complementa-o com uma análise local
detalhada, realçando fenómenos de saturação locais ou gradientes perigosos, e.g., dificilmente
perceptíveis sem a experimentação prática. De uma forma simplista, as ferramentas analíticas
permitem uma macro solução do projecto da máquina eléctrica, enquanto a análise baseada no
MEF providencia uma micro perspectiva daquele. A abordagem ao projecto através do MEF
proposta neste capítulo não explora todas as funcionalidades da ferramenta no projecto de
máquinas eléctricas, limitando-se a uma análise bidimensional, para a qual é relativamente
simples interagir com a geometria da máquina, como se pretende nos moldes do projecto proposto
neste trabalho.
A teoria fundamental subjacente ao MEF é introduzida na secção seguinte. Nas secções ulteriores
são apresentados os resultados da análise numérica da indução magnética no espaço da máquina
de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial (IPFA), investigam-se os fluxos de fugas dos ímanes e do
entreferro e caracteriza-se a reacção do induzido, paralelamente ao cálculo das indutâncias. A fem
induzida em vazio é investigada através da variação do fluxo magnético totalizado numa fase do
estator.
Na secção 6.6., após uma breve caracterização dos aspectos mais relevantes do binário de
ranhura, produzido por interacção entre a abertura das ranhuras e o fluxo magnético indutor em
vazio, é apresentado o método do tensor de tensões de Maxwell, que, associado ao MEF,
188
providencia uma ferramenta extremamente útil na previsão do binário de ranhura e do binário
electromagnético da máquina.
Por fim, é investigado o volume de material magnético permanente que maximiza o fluxo
totalizado, orientado para a determinação do coeficiente polar óptimo na configuração da máquina
de IPFA em análise.
6.2. O MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
A análise electromagnética, governada pelas equações de Maxwell, é passível de ser formulada
através de Equações Diferenciais Parciais (EDP), com recurso ao vector potencial magnético, A ,
e ao potencial escalar eléctrico, V , de acordo com a teoria descrita no Anexo D.
O Método dos Elementos Finitos (MEF) é uma técnica numérica de aproximação à solução de
uma equação integral ou diferencial parcial, definida num certo domínio e com uma (ou mais do
que uma) condição de fronteira associada, estando amplamente vulgarizado nesse propósito.
A ideia subjacente ao MEF é a de decompor o domínio da EDP num número finito de
subdomínios, chamados elementos finitos, e aproximar a distribuição da variável dependente da
EDP nos nós de cada um dos elementos finitos, através da resolução de um sistema de equações
lineares. Este sistema é obtido a partir da EDP que modela o fenómeno e das condições de
fronteira associadas, via uma formulação em termos de equações integro-diferenciais, usando um
processo de interpolação polinomial, conhecido por método de Galerkin, ou a minimização de um
funcional adequado, o método de Rayleigh-Ritz. Em ambos os casos, a formulação em termos das
equações integro-diferenciais é aplicada a cada elemento finito. O agrupamento de todos os
elementos resulta num sistema (global) de equações lineares, correspondentes ao domínio do
problema em estudo.
O método de Rayleigh-Ritz, também conhecido por método variacional, consiste na minimização
de um funcional, construído a partir da equação diferencial que modela o problema e que traduz a
189
energia associada ao problema em estudo. A solução deste problema é a função que minimiza o
referido funcional.
O método de Galerkin consiste na minimização do integral do produto de um resíduo, determinado
a partir da EDP original, com uma certa função peso. Esta formulação é mais frequente que a do
método variacional, pelo facto da sua implementação ser mais simples, sendo as equações dos
elementos finitos deduzidas directamente a partir da equação diferencial que modela o problema
em estudo (Bastos, Sadowski, 2003).
A ferramenta de elementos finitos utilizada neste trabalho é o software comercial COMSOL
Multiphysics 3.5a, módulo AC/DC, cuja formulação subjacente é o método de Galerkin (COMSOL,
2008).
6.2.1. O método de Galerkin
Um problema electromagnético definido num certo domínio D é descrito, de forma genérica, pela
EDP
, ,L r t f r t . (6.1)
Nesta equação, L é um operador diferencial de segunda ordem, é a função (escalar ou
vectorial) que se pretende determinar e f é uma função conhecida. Geralmente, e f são,
simultaneamente, funções da posição no espaço , ,r x y z e do tempo t .
Associado à EDP do tipo (6.1), existe um conjunto de condições de fronteira, que envolvem as
funções do problema e o domínio em estudo e deverão garantir a unicidade da solução.
Para um dado problema electromagnético, as condições de fronteira associadas podem ser do tipo
Dirichlet ou de Neumann. A condição do tipo Dirichlet consiste em assumir que a função tem
um valor fixo na fronteira do domínio. Uma condição do tipo Neumann considera que a variação da
função , ao longo da fronteira, segue uma lei conhecida.
190
O método de Galerkin é um caso particular do método do resíduo pesado. Este método consiste
na formação de um resíduo construído através de
* *r L f , (6.2)
o que implica a construção de uma função * , para a qual o resíduo *r é próximo de zero. A
construção de * corresponderá a uma interpolação da função , num dado elemento finito, da
seguinte forma: em cada nó j considera-se uma função linear j com a propriedade de j 1 no
nó j e j 0 nos restantes nós do elemento. A função de interpolação, * , para um elemento
finito será a soma das funções lineares j , multiplicadas por um coeficiente desconhecido j ,
* j jj
, (6.3)
que será determinado ao longo do processo numérico. O resíduo *r que lhe corresponde é
multiplicado por uma função peso conveniente, w , e, seguidamente, integra-se o produto *wr no
domínio que lhe corresponde. A particularidade do método de Galerkin na formulação dos
resíduos pesados consiste em escolher a função peso, w , igual à função de interpolação, *
(Polycarpou, 2006).
Para a equação diferencial (6.1), esta formulação resulta na equação matricial
* *D
R w L f d . (6.4)
Sendo L um operador diferencial de segunda ordem, torna-se necessário garantir que a função
peso, w , e a função de interpolação * , admitam segunda derivada contínua no domínio em
causa. Contudo, esta exigência pode ser relaxada, recorrendo-se à integração por partes do
integral anterior e usando o teorema de Green, o que permite reduzir a ordem máxima das
derivadas presentes na equação (Šolín, 2006). Deste modo será apenas necessário garantir que
as funções peso e de interpolação sejam continuamente diferenciáveis. Esta relaxação na
diferenciabilidade das funções conduz à denominada formulação fraca do problema.
191
Formulado o problema, a sua resolução é realizada através de algoritmos numéricos comuns
(Bianchi, 2005; COMSOL, 2008).
6.2.2. Análise 2D versus análise 3D
Qualquer dispositivo electromagnético, por existir no espaço tridimensional, sugere uma análise
numérica a 3D. A análise a 2D de dispositivos tridimensionais explora as situações de simetria das
formas geométricas do dispositivo e algumas particularidades do seu funcionamento. A vantagem
principal da análise 2D relativamente à 3D reside na economia relativa do número de elementos.
Esta última envolve um número de elementos de volume consideravelmente alto, que, em
algumas situações, eleva a dimensão da matriz do sistema de tal modo que o processamento em
computadores pessoais usuais não é praticável (Cendes, 1989; Parviainen, et al., 2003;
Sabonnadiere, 1992). A modelação da máquina de IPFA aqui utilizada é restringida a análises no
espaço bidimensional, através da utilização de condições de fronteira eficientes, truncando a
geometria sem, com isso, introduzir erros significativos, e da qual resulta uma economia
significativa no tempo de processamento. Na Figura 6.1 apresenta-se a secção circunferencial da
máquina, planificada nas dimensões x e y do sistema de coordenadas cartesianas.
A variação do passo polar ao longo da direcção radial da máquina é incorporada na análise
considerando vários planos circunferenciais para diferentes raios da máquina, conforme a
abordagem descrita na secção 4.2., sempre que os resultados a obter assim o justifique. De referir
que, mesmo com esta aproximação à variação das dimensões radiais da máquina, os efeitos
limítrofes não são incluídos, como, por exemplo, a contribuição dos enrolamentos não activos ou o
fluxo de fugas dos ímanes, nos raios interno e externo.
6.2.3. Condições de fronteira
Em problemas magnetostáticos ou quasi-estáticos modelados a duas dimensões, tal que as
intensidades de corrente ocupem a direcção perpendicular ao plano modelado, o campo
192
magnético só tem componentes no plano em análise e o vector potencial magnético só tem uma
componente não nula, zA .
Às fronteiras físicas da máquina, paralelas ao eixo x da Figura 6.1, correspondem condições do
tipo Dirichlet homogéneas, segundo as quais o vector potencial magnético é nulo, ou seja 0zA .
As linhas de fluxo são tangenciais a estas fronteiras, não as atravessando, situação equivalente a
considerar um material externo com permeabilidade magnética nula, i.e., um isolamento
magnético.
Esta condição de fronteira equivale a considerar a componente tangencial do vector potencial
magnético igual a zero,
n A 0 , (6.5)
sendo n é o vector unitário perpendicular à fronteira.
x
y
Condição de Neumann homogénea
Condição de Dirichlet homogénea
Periodicidade par
Periodicidade ímpar
Figura 6.1: Secção circunferencial planificada da máquina de IPFA correspondente a um par de pólos e condições de
fronteira e de simetria associadas.
A condição do tipo Neumann é utilizada para modelar um determinado grau de incidência das
linhas de fluxo com a fronteira. No caso da condição do tipo Neumann homogénea, as linhas de
fluxo são forçadas a serem perpendiculares à fronteira. O eixo x da Figura 6.1 corresponde a um
193
eixo de simetria da máquina, modelado por uma fronteira do tipo Neumann homogénea, definida
genericamente através de
n H 0 , (6.6)
que impõe a nulidade da componente tangencial do campo magnético.
O domínio em análise pode ainda ser reduzido recorrendo às condições periódicas. Estas
condições de fronteira atribuem uma correspondência entre os valores do vector potencial
magnético ao longo de duas (ou mais) fronteiras da estrutura, associadas a uma repetição dos
campos electromagnéticos, análoga à transformação da máquina eléctrica multipolar, na máquina
bipolar equivalente.
Fazendo coincidir as fronteiras com as linhas que limitam um par de pólos, utiliza-se a condição
periódica par,
1, 2 , ,z z
rA x y A x k y k
p
N , (6.7)
ou em alternativa, estuda-se apenas um pólo, fazendo coincidir as fronteiras com as linhas que
limitam um pólo, recorrendo a uma periodicidade ímpar, de acordo com
1, 2 1 , ,z z
rA x y A x k y k
p
N . (6.8)
6.2.4. Discretização do domínio e precisão
A precisão da solução numérica obtida é influenciada pela dimensão dos elementos finitos e pela
uniformidade dos mesmos, determinada pela qualidade da malha a utilizar e da sua adaptação ao
problema em questão (objectivos diferentes requerem malhas diferentes, e.g.).
Genericamente, os erros obtidos para uma determinada malha variam com o nível de
discretização nas fronteiras e com a discretização em zonas do modelo onde os gradientes dos
campos ou potenciais são mais elevados. De salientar que, na fronteira entre duas regiões, o
194
número de nós tem que ser igual e estes devem ocupar as mesmas posições relativas, de forma a
garantir a continuidade do domínio na fronteira.
O processo de discretização envolve decisões relativamente ao número, tamanho e forma dos
elementos finitos, procurando-se uma relação de compromisso entre o número de elementos e o
tempo de computação.
Os métodos de criação de malhas são variados e obedecem a critérios que podem ser controlados
pelo utilizador, como a densidade e o tamanho máximo dos elementos. As técnicas de geração de
malhas adaptativas permitem alterar a malha após o processamento, a partir de uma malha inicial
pouco discretizada, através de um refinamento da malha nos locais onde os erros forem
superiores a um valor pré-definido. Na Figura 6.2 apresenta-se o exemplo de uma malha pouco
discretizada, com 92 826 elementos. Um dos parâmetros utilizados pelo programa para avaliar a
qualidade da malha relaciona-se com a medida da anisotropia dos elementos, avaliada através da
razão entre a área, multiplicada por 4 3 , e a soma dos quadrados dos lados dos triângulos
(COMSOL, 2008). No exemplo aqui apresentado, a qualidade mínima da malha é 0,672.
Figura 6.2: Discretização do domínio através de uma malha com 92864 elementos triangulares, 46709 pontos, 2612
elementos de fronteira e 80 vértices.
A modelação do movimento de rotação pode ser concretizada através da definição do entreferro
dividido em dois domínios distintos, um solidário com o rotor e o outro com o estator, cujas malhas
são distintas, mas acopladas através da definição de uma transformação apropriada que garante a
continuidade do vector potencial no sistema de coordenadas fixo (COMSOL, 2008).
195
6.3. INDUÇÃO MAGNÉTICA
A distribuição da indução magnética nos vários elementos da máquina permite avaliar o nível de
saturação nos diferentes elementos do ferro do estator, assim como a definição das induções
magnéticas para a determinação das perdas no ferro, como discutido no Capítulo 5.
A variação da indução magnética no plano médio da máquina é apresentado nas Figura 6.3 e
Figura 6.4, para as situações de vazio e em carga, respectivamente, nas quais são sobrepostos os
valores obtidos através da rede de relutâncias, definida durante o projecto analítico.
Figura 6.3: Distribuição da indução magnética no plano médio da máquina, em vazio ( rB 1,12 T).
Figura 6.4: Distribuição da indução magnética no plano médio da máquina, em carga ( rB 1,12 T, 22ai A;
2b ci i A).
196
É evidente que o MEF permite obter um detalhe maior que a rede de relutâncias, evidenciando,
por exemplo, a variação da indução magnética nos elementos do núcleo do estator, na direcção
axial, embora se verifique que os fluxos magnéticos calculados analítica e numericamente
naqueles elementos são coerentes.
6.3.1. Indução magnética no entreferro
A forma de onda da indução magnética no entreferro, com consequências no desempenho da
máquina, é investigada em termos do seu conteúdo harmónico. A Figura 6.5 apresenta a forma de
onda da indução magnética em vazio, ao longo de um passo polar, e a análise de Fourier que lhe
corresponde, cujos coeficientes foram obtidos através da transformada rápida de Fourier.
O mínimo local da indução magnética corresponde ao posicionamento da ranhura relativamente
ao pólo da máquina. Esta variação da indução magnética, por variação da relutância do circuito
magnético, produz binários parasitas, mesmo na ausência de correntes no estator. Estes binários
serão tratados posteriormente, na secção 6.6..
Os efeitos de concentração do fluxo nas extremidades dos dentes, nas vizinhanças das aberturas
das ranhuras, são também evidentes através do aumento local da amplitude da indução
magnética naquelas zonas.
h
B(a)
(T)maxB
(b)(T)
x (m)
Figura 6.5: (a) Forma de onda da indução magnética no entreferro ao longo de um passo polar, no plano médio da máquina em vazio ( rB 1,12 T). (b) Conteúdo harmónico.
Para a situação da máquina em carga (Figura 6.6), verifica-se uma ligeira assimetria na forma de
onda da indução magnética relativamente ao eixo polar, devido à distribuição disforme da indução
197
magnética nos dentes. Da análise comparativa do conteúdo harmónico correspondentes às duas
situações, em vazio e em carga, verifica-se que o efeito de reacção do induzido é pouco
significativo, aspecto característico das máquinas de ímanes permanentes, com os ímanes na
superfície rotórica.
h
BmaxB
x
Figura 6.6: (a) Forma de onda da indução magnética no entreferro ao longo de um passo polar, no plano médio da
máquina em carga ( rB 1,12 T, 22ai A; 2b ci i A). (b) Conteúdo harmónico.
6.3.2. Fluxo de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro
A análise magnetostática, em vazio e/ou em carga, permite ainda estimar o fluxo de fugas dos
ímanes e do entreferro, com uma precisão superior à abordagem analítica, tendo em consideração
o detalhe com que é possível obter a distribuição das linhas de fluxo magnético. Na Figura 6.7,
apresentam-se as linhas de fluxo de fugas, com a máquina em vazio, em duas posições distintas,
correspondentes ao percurso de fugas do entreferro de relutância máxima e mínima, de acordo
com o enunciado na secção 4.3.3.2..
Figura 6.7: Fluxos de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro. (a) Fluxo de fugas do entreferro através do percurso
de relutância máxima. (b) Fluxo de fugas no entreferro através do percurso de relutância mínima.
O cálculo analítico dos fluxos de fugas ao longo do comprimento axial dos ímanes e entre ímanes
adjacentes conduz a uma sobre estimação daqueles, comparativamente à solução agora obtida.
198
Como se pode verificar da análise da Figura 6.7, devido ao pequeno comprimento do entreferro e
ao baixo coeficiente polar utilizado no modelo, não existe fluxo de fugas entre ímanes adjacentes
através do entreferro, e parte do fluxo de fugas ao longo do comprimento axial daqueles atravessa
o entreferro. O valor percentual do fluxo de fugas dos ímanes permanentes, avaliado através da
razão entre o fluxo que atinge a fronteira do estator com o entreferro ao longo de um passo polar,
e o fluxo nas fronteiras de um íman, é da ordem de 15%.
Quanto ao fluxo de fugas do entreferro, este é avaliado através da razão entre o fluxo que
atravessa as ranhuras e o fluxo que atravessa a fronteira entre o entreferro e o estator, ambos ao
longo de um passo polar, obtendo-se valores da ordem de 13,7% na situação do percurso com
relutância mínima e 11% na situação do percurso associado ao de relutância máxima.
6.4. INDUTÂNCIAS
A determinação das indutâncias é realizada através de uma análise magnetostática no domínio
modelado, em que se anula a contribuição dos ímanes, i.e., 0rB , de forma a obter unicamente
o campo de reacção do induzido. Às ranhuras, atribuem-se as densidades de corrente
correspondentes às requeridas para o cálculo das indutâncias, ou seja, maxdi I e 0qi , para o
cálculo da indutância segundo o eixo longitudinal, e maxqi I e 0di , para o cálculo da indutância
segundo o eixo transversal. A estas situações correspondem, por exemplo, instantes de tempo em
que o eixo de uma fase, suposta a fase a , coincida com o eixo ( )d q , para o cálculo da indutância
longitudinal (transversal), com maxai I e max 2b ci i I . Na Figura 6.8 apresenta-se a
distribuição das fases nas ranhuras correspondente à fmm máxima coincidente com o eixo d .
6.4.1. Indutâncias síncronas
Obtida a solução numérica, o cálculo das indutâncias síncronas pode ser efectuado através da
energia magnética associada à estrutura modelada ou através do fluxo magnético totalizado.
199
A energia magnética associada a um sistema é
0 ' 0Cu
A B
m V VW d dv d dv J A H B . (6.9)
'd a
aa ac bcb
Figura 6.8: Distribuição das fases nas ranhuras correspondente à fmm máxima coincidente com o eixo d ; o eixo da fase
a , 'a , coincide com o eixo d , e as intensidades de corrente são 22ai A, 2b ci i A.
Admitindo que o sistema é linear, no sentido em que A é proporcional a J , a energia magnética
relaciona-se com a indutância própria do circuito através de
2 2 2'
1 1 2Cu
m
V V
WL dv dv
I I I A J B H . (6.10)
Para uma máquina trifásica, tendo em consideração que a fmm resultante é 3/2 da fmm devida a
uma fase, com a mesma consequência no campo magnético e na energia total, a equação (6.10)
toma a forma
, ( )
2max
22
3m d q
sd q
WL
I , (6.11)
em que sd qL é a indutância síncrona longitudinal (transversal) e , ( )m d qW é energia magnética total
do sistema, com maxdi I ( maxqi I ), igual à energia magnética associada aos planos modelados,
multiplicada pelo número de pares de pólos da máquina e considerando o volume total dos
materiais activos, ou seja, a contribuição de todos os planos de computação. A validade desta
metodologia e, consequentemente, dos valores obtidos, é limitada, tendo em consideração que o
200
circuito magnético não é linear (cf. com as Figura 6.13 eFigura 6.14) , sendo, no entanto, útil para
validar os resultados obtidos através de outras metodologias.
A determinação das indutâncias síncronas através do fluxo totalizado é expedita, tendo em
consideração que
max
Id q asd q
d q
LI I
, (6.12)
sendo o fluxo totalizado na fase a , a , avaliado através de
1
2r
N
a f i ziSir
N r A dsS
, (6.13)
onde fN é o número de espiras por fase do estator, rS é a secção da ranhura, ir é o
comprimento radial e ziA é a componente do vector potencial magnético nas ranhuras, ambos no
plano de computação i .
6.4.2. Indutâncias de magnetização
As indutâncias de magnetização são avaliadas através da componente axial (na dimensão y do
sistema de coordenadas) da distribuição da indução magnética de reacção do induzido no
entreferro, no plano correspondente ao diâmetro médio da máquina. As formas de onda da
indução magnética obtidas são apresentadas nas Figura 6.9 e Figura 6.10, correspondentes às
soluções com maxdi I e maxqi I , respectivamente. Utilizando a amplitude da componente
fundamental da indução magnética de reacção do induzido, max , 1I d qB , obtida através da
transformada rápida de Fourier, o fluxo totalizado máximo por pólo é
2 2out inmax , 1
2
2w fd q I d qk N B r rp
, (6.14)
pelo que as indutâncias de magnetização são
201
( )
max
d qmd qL
I
. (6.15)
hx
,I dB max ,I qB
Figura 6.9: Indução magnética de reacção do induzido segundo o eixo d , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de um
passo polar; (b) conteúdo harmónico.
h
,I qB max ,I qB
x
Figura 6.10: Indução magnética de reacção do induzido segundo o eixo q , max 22i A; (a) forma de onda ao longo de
um passo polar ; (b) conteúdo harmónico.
Os fluxos totalizados equacionados através de (6.13) e (6.14) são diferentes, visto o primeiro
incluir os fluxos de fugas nas ranhuras e no entreferro assim como o conteúdo harmónico da fmm
de reacção do induzido, ausentes na formulação do fluxo totalizado para o cálculo das indutâncias
de magnetização. Assim, da diferença entre as indutâncias calculadas através de (6.12) e (6.15), é
possível estimar a indutância de fugas (excluindo a indutância de fugas associada aos
enrolamentos não activos).
6.4.3. Indutância de fugas nas ranhuras
A indutância de fugas nas ranhuras pode ser obtida directamente da solução numérica, avaliando
a componente do vector potencial magnético ao longo de uma ranhura. A Figura 6.11 apresenta o
202
detalhe das linhas de fluxo através de uma ranhura, assim como a evolução do vector potencial
magnético na direcção axial da mesma.
b
c
aab
c
(a) (b)
y (m)
(Wb/m)zA
Figura 6.11: (a) Fluxo de fugas nas ranhuras; (b) Vector potencial magnético ao longo da dimensão axial da ranhura.
Da análise da Figura 6.11, identificam-se duas zonas distintas em termos de fluxos de fugas: a
zona correspondente à abertura da ranhura, entre a e b , em que o fluxo que a atravessa abrange
todos os condutores da ranhura, e a zona dos condutores, entre b e c , onde os condutores não
são abrangidos igualmente pela mesma quantidade de fluxo. A contribuição destas duas zonas
para o fluxo de fugas em cada ranhura é avaliada através de
, ,01
Ni
r lk zi i z aii
rA r A
, (6.16)
sendo a fronteira entre a ranhura e o ferro do estator, entre os pontos b e c . A indutância de
fugas por fase que lhe corresponde é
,max
2 fr r lk
NL
I . (6.17)
6.4.4. Indutância mútua entre os estatores
A indutância mútua entre os dois estatores na configuração axial de duplo entreferro, rotor interno,
é aqui analisada, modelando a máquina na sua extensão axial completa, ao longo de um par e
pólos. Afectando as ranhuras de um estator com as densidades de corrente correspondentes às
duas situações de fmm máxima coincidente com os eixos directo e em quadratura, avalia-se o
fluxo que liga o enrolamento do outro estator e, a partir deste, a indutância mútua, através da
203
razão entre o fluxo totalizado e a intensidade de corrente maxI . Na Figura 6.12 apresenta-se a
solução correspondente a maxqi I e 0di .
Figura 6.12: Distribuição do vector potencial magnético ao longo de um par de pólos na estrutura axial, com os dois
estatores; as densidades de corrente no estator superior correspondem a 22qi A e 0di e no estator inferior são
nulas.
Da análise dos resultados, além de não se verificarem diferenças significativas entre as situações
correspondentes à fmm máxima do estator segundo os eixos longitudinal e transversal,
constata-se ainda que o fluxo totalizado no estator não alimentado é muito baixo, como
previamente previsto, na fase do projecto analítico.
6.4.5. Influência do nível de saturação do ferro do estator
A não linearidade do material magnético do estator influencia os valores das indutâncias, por
variação da permeabilidade do ferro. Nas situações consideradas anteriormente no cálculo das
indutâncias, a indução magnética no ferro da máquina é, comparativamente às situações em
carga, baixa, devido à ausência do fluxo magnético indutor, o que se repercute no nível de
saturação daquele.
As Figura 6.13 e Figura 6.14 reproduzem os níveis de permeabilidade relativa do ferro do estator
apenas na presença de reacção do induzido e nas situações em carga, com di e maxqi I ,
respectivamente.
204
Figura 6.13: Variação da permeabilidade relativa no ferro da máquina com 22di A e 0qi , na presença de (a) campo
de reacção do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reacção do induzido.
Figura 6.14: Variação da permeabilidade relativa no ferro da máquina com 22qi A e 0di , na presença de (a) campo
de reacção do induzido e (b) campos indutor ( rB 1,12 T) e de reacção do induzido.
A influência da saturação nos valores das indutâncias longitudinal e transversal é analisada,
calculando os fluxos totalizados nas situações em que estão presentes o fluxo indutor e de
reacção do induzido. A estes, é subtraído o fluxo totalizado devido apenas ao sistema indutor,
obtendo-se o fluxo de reacção do induzido, nos níveis de permeabilidade do ferro em carga, ou
seja,
, ,
max
Id q a m a mI
sd qd q
LI I
, (6.18)
em que ,a m é o fluxo totalizado na bobina a devido unicamente ao fluxo indutor e ,a mI é o fluxo
totalizado devido ao fluxo magnético indutor e de reacção do induzido. Para a situação de reacção
do induzido desmagnetizante, , ,a m a mI ; se a análise for efectuada através de uma reacção do
induzido magnetizante, então , ,a m a mI .
Na configuração em análise, o fluxo totalizado segundo o eixo q tem um percurso ao longo de
duas ranhuras com um nível de saturação elevado (Figura 6.14), enquanto o fluxo de reacção do
205
induzido segundo o eixo d se desenvolve num percurso em que apenas uma ranhura atinge
elevados níveis de saturação (Figura 6.13). É assim expectável uma maior influência do nível de
saturação do ferro da máquina na indutância transversal que na indutância longitudinal.
Os resultados obtidos apresentam uma redução da ordem de 4% para as indutâncias segundo o
eixo longitudinal, enquanto as indutâncias segundo o eixo transversal apresentam uma
dependência superior, chegando a atingir-se um decréscimo de 16%.
6.4.6. Comparação entre os resultados analíticos e os resultados
obtidos pelo MEF
Para aferir sobre a precisão entre a metodologia analítica proposta na secção 4.4.4. e os
resultados obtidos através do MEF, apresentam-se, na Tabela 6.1, os resultados obtidos através
das duas abordagens, para a estrutura da máquina de IPFA em análise. De salientar que a análise
numérica efectuada a 2D não permite estimar a indutância de fugas dos enrolamentos não activos,
pelo que esta é excluída da análise comparativa.
Tabela 6.1: Comparação entre as abordagens analítica e numérica no cálculo das indutâncias da máquina de IPFA. Na abordagem analítica, r dsd q md qL L L L . sd qL indutância síncrona longitudinal (transversal), md qL indutância de
magnetização longitudinal (transversal), rL indutância de fugas nas ranhuras, dL indutância diferencial, M indutância
mútua entre os estatores.
sdL sqL mdL mqL rL dL M
mH
Analítica 8,23 8,21 1,79 1,77 4,31 2,13 1,79
Numérica 6,95
(*)6,91
6,92
(*)6,9 1,98 1,94 4,34 - 0,58
(*) Valores obtidos através da energia magnética.
Na análise numérica, o cálculo das indutâncias síncronas através do fluxo totalizado inclui o
conteúdo harmónico da reacção do induzido. Na abordagem analítica, a contabilização do
conteúdo harmónico é efectuado através da indutância de fugas diferencial, pelo que esta é
incluída nos valores das indutâncias síncronas, aditivamente às de magnetização e de fugas nas
ranhuras. A comparação entre os resultados analíticos e os obtidos pelo MEF para as indutâncias
206
síncronas sugere que a formulação empírica utilizada no cálculo analítico da indutância de fugas
diferencial é pouco precisa, estimando aquela por excesso. Embora existam discrepâncias nos
resultados através das duas abordagens, os valores obtidos para as indutâncias de magnetização
são coerentes.
Relativamente à indutância mútua, como previsto na secção 4.4.4.3. para a configuração da
máquina em análise, o acoplamento magnético entre os dois estatores é fraco e a formulação
analítica proposta não é válida. O cálculo através do MEF prevê um valor significativamente
inferior às indutâncias síncronas, como seria de esperar.
As indutâncias longitudinais, síncrona e de magnetização, são ligeiramente superiores às
indutâncias transversais, devido às diferentes permeabilidades dos materiais utilizados na
estrutura rotórica segundo os dois eixos. No eixo longitudinal, devido à presença dos ímanes,
,r rec 1,05, e no eixo transversal, o material predominante é o alumínio, com r 1.
Os valores reportados, analíticos e obtidos através do MEF, correspondem às indutâncias
desprezando a saturação do circuito magnético da máquina. A consideração do nível de saturação
no procedimento analítico, através dos factores de saturação, conduz a um decréscimo das
indutâncias de magnetização da mesma ordem de grandeza dos obtidos numericamente.
6.5. FORÇA ELECTROMOTRIZ EM VAZIO
O valor eficaz da componente fundamental da fem induzida em vazio é uma variável importante do
projecto electromagnético, directamente proporcional ao binário produzido pela máquina. Acresce
ainda que, da interacção do conteúdo harmónico da fem induzida com as correntes do estator,
podem resultar binários parasitas, pelo que é importante prever a forma de onda da fem induzida.
Considerando a máquina a funcionar como gerador, em vazio, a fem é induzida por variação do
fluxo magnético totalizado, devido unicamente ao sistema indutor, ou seja, aos ímanes
permanentes. Dado que a distribuição do fluxo magnético não depende da distribuição dos
enrolamentos no estator, uma análise magnetostática, conduzida em posições incrementais do
207
rotor relativamente ao estator, permite construir a forma de onda do fluxo totalizado por fase, em
função da posição rotórica.
Para um enrolamento com uma ranhura por pólo e por fase, cada solução magnetostática permite
obter três valores do fluxo totalizado por passo polar. Bianchi (2005) recomenda usar Q p pontos
para estimar a fem induzida. A análise efectuada utilizou nove pontos por passo polar, no plano
correspondente ao diâmetro médio da máquina. As componentes harmónicas do fluxo totalizado
são obtidas através da transformada rápida de Fourier. Da expansão da série, desprezaram-se os
coeficientes das formas sinusoidais, baseando esta decisão na simetria da máquina e na reduzida
amplitude daqueles, face aos coeficientes co-sinusoidais. A Figura 6.15 apresenta a forma de
onda do fluxo totalizado, obtida através dos coeficientes da série Fourier utilizados.
7
12 1
cos ,ii n
b i n
N
Figura 6.15: Fluxo totalizado numa fase da máquina em vazio relativamente à posição rotórica (em radianos eléctricos);
rB 1,12 T.
A fem por fase é obtida derivando o fluxo totalizado em ordem ao tempo. Para uma velocidade de
rotação constante, tal que rp d dt , sendo a frequência angular eléctrica e r a
velocidade angular de rotação, a fem é obtida através de
7
12 1
sin ,ii n
d dde b i n
d dt d
N . (6.19)
Na Figura 6.16 apresenta-se a forma de onda da fem, assim como as amplitudes das
componentes harmónicas até à ordem em análise.
208
h
maxEE e
1E
Figura 6.16: Fem por fase em vazio ( f 100 Hz); (a) forma de onda e componente fundamental; (b) Conteúdo harmónico.
A fem induzida em vazio apresenta um 5.º harmónico de amplitude considerável. Este harmónico
está presente na forma de onda da indução magnética em vazio, também com uma amplitude
considerável (Figura 6.5), e que se repercute na fem induzida, dado que a utilização dos
enrolamentos imbricados concentrados não promove uma atenuação do conteúdo harmónico.
Utilizando o fluxo magnético máximo previsto pela rede de relutâncias em vazio, do projecto
analítico, o valor máximo da fem induzida é estimado através de max maxfE N , obtendo-se
102,6 V, compatível com o resultante da metodologia agora empregue.
6.6. BINÁRIO ELECTROMAGNÉTICO
Nas máquinas de ímanes permanentes existe um binário mesmo na ausência de correntes no
estator, devido à interacção entre os ímanes e as ranhuras do estator, por variação da relutância
do circuito magnético sob a abertura daquelas, sendo esta interacção mais relevante nas
máquinas com os ímanes dispostos na superfície do rotor. Desta interacção resulta uma variação
da energia magnética no espaço envolvente das ranhuras, o que se traduz num binário, aqui
denominado de binário de ranhura1. Aditivamente ao binário de ranhura, podem ainda existir
binários pulsatórios por interacção entre os harmónicos espaciais da intensidade de corrente e os
1 “Cogging torque”, na literatura anglo-saxónica.
209
ímanes, mas, devido à fraca reacção do induzido, característica da aplicação em causa, estes não
serão aqui tratados.
Os principais aspectos relacionados com a mitigação do binário de ranhura na máquina de IPFA
são aqui introduzidos e, posteriormente, são apresentadas metodologias para a sua quantificação.
Das ferramentas de cálculo das forças e/ou binários electromagnéticos implementáveis através do
MEF, destaca-se o método do tensor de tensões de Maxwell, que é aqui implementado para a
previsão do binário de ranhura e do binário electromagnético da máquina.
6.6.1. Binário de ranhura
O binário de ranhura é, geralmente, caracterizado por um valor médio nulo, e pode atingir
amplitudes consideráveis, sem um projecto da máquina orientado para a sua mitigação. A
periodicidade depende do número de ranhuras e do número de pólos da máquina, cuja
generalização se traduz nos seguintes moldes (Krishnan, 2010):
se 2Q p é um número inteiro, então esse mesmo número de ranhuras interage
simultaneamente com os ímanes permanentes, e o número de períodos do binário de
ranhura por rotação da máquina é Q ;
se 2Q p é fraccionário e Q é par, duas ranhuras diametralmente opostas produzem um
binário aditivo e a frequência do binário de ranhura por rotação da máquina é Qp ;
se 2Q p é fraccionário e Q é ímpar, cada ranhura produz um ciclo por cada pólo, o que
resulta numa frequência por rotação de 2Qp .
A amplitude do binário de ranhura decresce com o aumento da sua frequência por rotação da
máquina, pelo que a utilização de enrolamentos concentrados fraccionários em máquinas
síncronas de ímanes permanentes ( q fraccionário) se pode revelar vantajosa na mitigação dos
problemas associados a estes binários, desde que o projecto seja convenientemente orientado
(Krishnan, 2010).
210
Existem vários aspectos construtivos que permitem minorar o binário de ranhura numa máquina
de ímanes permanentes. Na última década, têm sido produzidos vários trabalhos de investigação
sobre as técnicas de minimização do binário de ranhura em máquinas de IPFA, dos quais se
destacam os de Aydin, et al. (2003) e (2007), Caricchi, et al. (2004) e Gonzalez, et al. (2007). A
identificação das técnicas de mitigação e a sua implementação é aqui apresentada de forma não
exaustiva, remetendo-se para trabalho futuro a exploração desta área de investigação.
De uma forma geral, as técnicas desenvolvidas para as máquinas de ímanes permanentes de
fluxo radial são transponíveis para as máquinas de fluxo axial, embora algumas acarretem uma
superior complexidade no processo de fabrico. Obviamente que a forma mais simples de eliminar
o binário de ranhura (ou de o reduzir substancialmente) é eliminar os dentes e/ou o ferro do
estator. A utilização desta configuração, como já referido, é restrita a máquinas de pequena
potência, pela ausência da concentração do fluxo e de suporte dos enrolamentos, providenciada
pelo ferro.
Outros aspectos construtivos, facilmente implementáveis, são a utilização de calços de material
magnético para fecho das ranhuras, após a introdução dos enrolamentos, ou a utilização de
ranhuras falsas ao longo dos dentes, através de cortes produzidos na direcção radial da máquina
axial, de forma a aumentar a frequência do binário de ranhura. A inclinação das ranhuras
relativamente ao eixo polar da máquina (como referido no Anexo B, na caracterização do factor de
enrolamento) ou do eixo polar dos ímanes relativamente às ranhuras, com uma selecção
adequada do ângulo de inclinação, permite também reduzir a amplitude do binário de ranhura.
6.6.2. Cálculo dos binários de ranhura e electromagnético
O método baseado no tensor de tensões de Maxwell associado ao MEF é um dos mais eficientes
no cálculo de forças em corpos sob a influência de campos magnéticos, pois conduz a expressões
que permitem o cálculo daquelas, directamente a partir dos resultados das EDP formuladas para o
vector potencial magnético, além da fácil interpretação da relação entre as componentes do
campo magnético e a direcção das forças resultantes.
211
Considere-se a força de Lorentz, a actuar numa carga, na presença de um campo magnético (a
força eléctrica é desprezada),
q F v B . (6.20)
Generalizando o movimento de uma carga para uma densidade volúmica de carga à
velocidade v , é possível reescrever a força de Lorentz por unidade de volume,
d
dv
Fv B J B , (6.21)
que, recorrendo à lei de Maxwell-Ampère na sua forma reduzida e à equação constitutiva para
materiais magnéticos, assume a forma
1 1d
dv
FB B B B . (6.22)
Introduzindo o termo B B 1 na equação anterior, e recorrendo à identidade diferencial
1
2 B B B B B B , a densidade de força é expressa por
1 1
2
d
dv
FB B B B B . (6.23)
Os múltiplos termos do desenvolvimento da equação anterior são passíveis de uma formulação
mais compacta, através do tensor de Maxwell de segunda ordem (Furlani, 2001), expresso através
de
T T T
T T T T
T T T
xx xy xz
yx yy yz
zx zy zz
, 21T
2ij i j ijB B B , (6.24)
1 De acordo com a lei de Gauss magnética, 0 B .
212
onde , ,i j x y ou z e ij é o delta de Kronecker, definido por 1,0,ijif i jif i j .
Demonstra-se que o divergente do tensor de Maxwell é (Lowther, Silvester, 1986),
3 3
1 1
1T T
2i ij ji j
u B B B B B , (6.25)
pelo que a expressão (6.23) pode ser reescrita através de
1T
d
dv
F. (6.26)
Recorrendo ao teorema da divergência, a força que actua no corpo é
1T
Sd
F s , (6.27)
sendo S a superfície que envolve o volume do corpo em movimento e a permeabilidade do
meio onde a integração se processa. Em termos práticos, é conveniente realizar a integração num
meio em que a permeabilidade seja constante, ou seja, nas máquinas eléctricas, aquela deve ser
processada no entreferro.
Considerando a superfície infinitesimal do rotor da máquina de IPFA, que, no sistema de
coordenadas em uso, é dxdz yds u , e assumindo , , 0x yB BB = constante na superfície de
integração (Figura 6.17), a força diferencial que actua na superfície do disco, é, de acordo com
(6.27), dada por
2 21 1 1, , , , 0
2xy yy zy x y y
dT T T B B B B
ds
F. (6.28)
dx
yuB
xuxB
yB
Figura 6.17: Superfície infinitesimal do rotor da máquina de IPFA e componentes da indução magnética.
213
A partir da componente segundo x da força infinitesimal, é possível exprimir o binário
electromagnético, através de
elm0
1x yS
T r B B dxdz
, (6.29)
sendo r a distância do elemento infinitesimal ao eixo de rotação. A operação de integração em
(6.29) é, formalmente, um problema tridimensional, cuja transposição para os planos
computacionais em uso neste trabalho envolve a seguinte formulação:
elm med 010
iN
i i x yi
pT r r B B dx
, (6.30)
em que medir é o raio médio, medido entre o eixo de rotação e a linha média do plano de
computação i .
Para uma distribuição da indução magnética contínua no espaço, o cálculo do binário através do
método do tensor de tensões de Maxwell é exacto e independente da linha de integração utilizada.
Devido à aproximação intrínseca do MEF, a continuidade das componentes da indução magnética
entre elementos adjacentes não é garantida, pelo que a precisão dos resultados obtidos depende
do percurso de integração e da malha adoptada no domínio em que aquele se encontra. Uma
forma de minorar possíveis erros consiste em avaliar o integral das componentes da indução
magnética na área definida pelo entreferro (Bianchi, 2005), ou seja
elm med10
i
N
i i x ygi
pT r r B B ds
g
. (6.31)
O binário de ranhura pode ainda ser obtido através da variação da energia magnética
relativamente à posição rotórica. Esta metodologia utiliza o princípio da conservação de energia,
associada a um deslocamento virtual da parte móvel da máquina. Na ausência de correntes no
estator, não há trocas de energia eléctrica com o exterior, pelo que, para uma variação
infinitesimal da posição rotórica, d , a soma da energia magnética acumulada no sistema e do
trabalho realizado pelo campo magnético é nulo, ou seja,
214
0m cogdW T d
mcog
dWT
d . (6.32)
A utilização do método do trabalho virtual, aparentemente simples, carece de algum cuidado pela
presença dos ímanes, cujo trabalho efectuado pela magnetização no deslocamento virtual é
irreversível, o que pode falsear os resultados. Este método é aqui utilizado no sentido de validar os
resultados obtidos pelo método do tensor de tensões de Maxwell.
A periodicidade do binário de ranhura na máquina em análise é de um passo de ranhura ( 30
radianos eléctricos, no modelo em análise). A avaliação do binário de ranhura é efectuada em 20
posições incrementais do rotor ao longo do período daquele. A Figura 6.18 apresenta a variação
da energia magnética e a função que a aproxima, e na Figura 6.19 (a) é apresentada a evolução
do binário de ranhura, obtida pelas duas metodologias.
Da análise dos resultados, verifica-se que as formas de onda obtidas pelas duas metodologias são
coerentes, embora o método do trabalho virtual sobrestime a amplitude do binário de ranhura
comparativamente ao método do tensor de tensões de Maxwell. O conteúdo harmónico da forma
de onda do binário de ranhura, obtida pelo método do tensor de tensões de Maxwell, é
apresentado na Figura 6.19 (b).
mW
Figura 6.18: Energia magnética em vazio ao longo de um passo de ranhura (a aproximação obtida pelos coeficientes de
Fourier é representada pela curva SF).
215
mdW d
cogT
h
maxcogT
Figura 6.19: Binário de ranhura ao longo de um período; (a) formas de onda obtidas pelo método do tensor de tensões de
Maxwell (TTM) e pelo método do deslocamento virtual; (b) harmónicos na forma de onda do binário de ranhura (TTM).
O binário electromagnético máximo em carga, ou seja, o binário associado a maxqi I , é estimado
através do método do tensor de tensões de Maxwell, tendo-se obtido um valor de 4,4 N.m. A
relação entre as amplitudes dos binários de ranhura e máximo em carga é elevada, concordantes
com os valores referenciados na literatura (Aydin, et al., 2007; Krishnan, 2010) em projectos que
não contemplam técnicas de mitigação do primeiro, como no caso em análise.
6.7. OPTIMIZAÇÃO DO VOLUME DE MATERIAL MAGNÉTICO PERMANENTE
O volume de material magnético permanente na máquina de IPFA é aqui investigado através da
contribuição dos vários elementos daquele material para o fluxo totalizado em vazio. Desta forma,
é possível propor coeficientes polares óptimos, através da eliminação de elementos de volume dos
ímanes com uma contribuição menor, com a consequente redução do volume de material
magnético permanente. No contexto do mercado dos materiais magnéticos permanentes de terras
raras actual, em que se assiste a uma subida dos preços e a uma redução da disponibilidade
daqueles (Constantinides, 2007), a minimização do volume de material magnético permanente é
um aspecto essencial para a competitividade da máquina eléctrica.
A metodologia utiliza a avaliação do fluxo totalizado no domínio dos ímanes permanentes, em vez
da avaliação clássica na superfície da bobina, a partir da qual é possível investigar a contribuição
de cada elemento dos ímanes. Esta análise é formulada analiticamente na secção seguinte e
216
posteriormente implementada para a configuração da máquina de IPFA em análise, através do
MEF, conforme publicado em (Ferreira, Costa, 2011a).
6.7.1. Fluxo totalizado em função do volume dos ímanes
Em alternativa à formulação do fluxo totalizado baseada na geometria da bobina
bSd B s , (6.33)
sendo bS é a secção da bobina, suposta com fN espiras, aquele pode ser expresso em função
do volume do material magnético permanente, tendo por base as hipóteses de estudo a seguir
enunciadas.
As grandezas magnéticas devidas aos ímanes permanentes e às intensidades de corrente
no interior da máquina são desprezáveis fora da fronteira física desta; também se considera
desprezável a influência de possíveis campos magnéticos exteriores à máquina dentro
daquela.
A característica de desmagnetização dos ímanes é considerada linear e invariante,
admitindo-se ainda que a permeabilidade de restabelecimento relativa é unitária, ou seja,
0 m m rB H B . (6.34)
Como já foi oportunamente referido, a descrição do material magnético permanente sob
estas hipóteses simplificativas é válida para os ímanes de terras raras, desde que se
despreze a influência a temperatura.
Os materiais magnéticos macios são considerados ideais, ou seja, não saturáveis e com
permeabilidade infinita. A permeabilidade relativa da maior parte dos materiais magnéticos
macios é, na zona de funcionamento linear, de uma ordem de grandeza consideravelmente
superior à do vazio, pelo que esta hipótese é razoável, desde que esteja afastada a
saturação. A validade da metodologia em análise deve ser reavaliada em função da
saturação do circuito magnético.
217
O vector potencial magnético, A , é suposto constante, em amplitude e direcção, ao longo
da secção transversal dos condutores que formam as bobinas; esta hipótese é válida para
condutores filamentares, desde que as bobinas estejam dispostas em torno de um material
ferromagnético macio, tal que o fluxo totalizado esteja concentrado dentro da secção
delimitada pela bobina (Fano, et al., 1968).
Nestes pressupostos, admitindo que a bobina é percorrida por uma intensidade de corrente i , sob
a influência do fluxo magnético indutor, o produto i é expresso por
b cS Si d d B s J s , (6.35)
sendo e B o fluxo totalizado e a indução magnética através da secção delimitada pela bobina,
e J a densidade de corrente nos condutores com secção transversal cS ( ,c uS ), de acordo com o
definido na Figura 6.20. A equação (6.35), nos pressupostos enunciados, traduz a soma da
energia e da co-energia de um sistema estático ou quasi-estático (Furlani, 2001).
cSd cs
bS
B
d bs
dlJ
Figura 6.20: Bobina da máquina de IPFA, representada, por simplificação, com uma espira.
Recorrendo ao vector potencial magnético e utilizando o teorema de Stokes, a expressão (6.35)
pode ser reescrita na forma
c b cl S Si d d A l J s , (6.36)
sendo cl o percurso fechado que engloba a superfície bS , aproximado pelo comprimento médio
das espiras que formam a bobina.
Tendo por base o pressuposto da invariância do vector potencial magnético através de cS , o
produto i é expresso em função do volume dos condutores, CuV , através de
218
CuVi dv A J . (6.37)
A expressão anterior, pode ser expressa em termos dos campos B e H , avaliados em todo o
espaço. Para um sistema quasi-estacionário, tal que J = H , e recorrendo à igualdade
vectorial F G G F F G e ao teorema da divergência, obtém-se
sucessivamente
' 'V V
i dv dv H A H A ,
' ' 'S V Vi ds dv H A H B , (6.38)
sendo 'S a superfície infinita que engloba todo o volume 'V .
Os campos A e H variam de forma inversamente proporcional à distância e ao quadrado da
distância, respectivamente, enquanto ds é directamente proporcional ao quadrado da distância,
pelo que o integral de superfície em (6.38) anula-se quando o volume limitado por 'S tende para
todo o espaço (Johnk, 1975). Assim, o produto i reduz-se a
'Vi dv H B . (6.39)
A principal diferença entre (6.37) e (6.39) é que a primeira requer a integração apenas no volume
dos condutores, enquanto, na última, o volume de integração tem que ser expandido até ao infinito
para se obter o mesmo resultado.
Recorrendo novamente aos pressupostos simplificativos enunciados, nomeadamente à linearidade
dos materiais activos, , H e B são devidos, cumulativamente, à intensidade de corrente na
bobina (índice I ) e à presença dos ímanes permanentes (índice m ), tal que
'I m IV
i dv m I mH H B B . (6.40)
219
Atendendo a que 0I mB B e 0 mH , de acordo com o teorema demonstrado em
(Brown, 1962)1,
'0,
Vdv mH B . (6.41)
com IB B ou mB B .
Inserindo este resultado em (6.40), obtém-se
'I m v
i dv I I mH B B . (6.42)
O pressuposto da linearidade implica que 'I v
i dv I IH B , obtendo-se por consequência
'm vi dv i mH B . (6.43)
O domínio de integração de (6.43) é passível de ser subdividido em quatro subdomínios: o volume
ocupado pelo material magnético permanente, mV , o volume ocupado pelo material magnético
macio, FeV , o volume do entreferro, dos condutores e de outros materiais da máquina
caracterizados por uma permeabilidade relativa muito próxima da unidade, aqui denominado gV ,
e, finalmente, o volume exterior à máquina, extV .
Para o volume de material magnético permanente, tendo em consideração a relação constitutiva
anteriormente postulada (6.34), é possível escrever 0m m m
m I rV V Vi dv dv m IH H H B , onde
0 I IH B , ou seja
m m mm rV V Vi dv dv I m IB H H B . (6.44)
1 Sejam u e v funções vectoriais que se anulam no infinito; se u for irrotacional u = 0 e v for solenoidal
v = 0 , então '
0V
dv u v (cf. com (Brown, 1962), para detalhes).
220
Considerando agora o volume de material magnético macio, na hipótese simplificativa do ferro
macio ideal, sendo r , 0 I mH H , então
0Fe Fe
m V Vi dv I mH B . (6.45)
No volume gV ,
g g gm V V Vi dv dv I m I mH B B H . (6.46)
Finalmente, no volume exterior à fronteira física da máquina, sendo os campos magnético e de
indução nulos,
0ext ext ext
m V V Vi dv dv I m I mH B B H . (6.47)
Inserindo os resultados de (6.44) a (6.47) em (6.43), esta última reduz-se a
' mm rV Vi dv dv I m IB H H B , (6.48)
com ' m Fe g extV V V V V .
Tendo em consideração o teorema enunciado em (6.41), o primeiro integral de (6.48) é nulo, e o
fluxo magnético totalizado devido aos ímanes permanentes que interage com a superfície da
bobina é, finalmente, expresso em função do volume do material magnético, através de
mm rV
dvi
IHB . (6.49)
6.7.2. Coeficiente polar optimizado
A formulação obtida em (6.49), permite identificar a maior ou menor contribuição dos vários
elementos do volume de material magnético permanente para o fluxo totalizado, e, em função dos
resultados, redefinir a forma dos ímanes e/ou o coeficiente polar, m , de forma a minimizar o
221
material magnético permanente empregue. O estudo é conduzido no plano médio da máquina de
IPFA, admitindo um coeficiente polar independente do raio da máquina.
O modelo da máquina implementado no MEF considera a fase em análise com o seu eixo
segundo a direcção longitudinal e as características físicas do volume de material magnético
permanente substituídas pelas do vazio. Nas ranhuras que correspondem à fase em análise,
atribui-se uma densidade de corrente correspondente à corrente contínua utilizada, suposta
injectada nos condutores da fase. Obtida a solução magnetostática numérica, avalia-se o produto
interno ri IH B no volume a ocupar pelos ímanes e, em função da distribuição deste, removem-
se os elementos cuja contribuição é menor.
De acordo com o mencionado previamente nos pressupostos simplificativos desta análise, a
indução remanente dos ímanes é considerada constante e independente do campo magnético no
interior daqueles. Os ímanes permanentes são magnetizados axialmente, pelo que a indução
remanente tem a direcção axial, perpendicular ao plano radial do entreferro.
A distribuição de ri IH B , no plano correspondente ao espaço a ocupar pelos ímanes é
apresentada na Figura 6.21, para m 1.
Figura 6.21: Distribuição do produto interno ri IH B na área reservada aos ímanes permanentes, com m 1.
Da análise dos resultados obtidos, os elementos próximos da fronteira dos ímanes apresentam a
menor contribuição para o fluxo totalizado em vazio, mas não se distribuem uniformemente ao
longo da direcção axial (segundo y , no sistema de coordenadas utilizado). A distribuição disforme
da contribuição dos elementos na direcção axial para o fluxo totalizado sugere a utilização de
222
ímanes com uma forma trapezoidal, ou seja, com uma largura m y crescente na direcção do
entreferro. Todavia, os ímanes de terras raras de formas irregulares são, geralmente, obtidos por
recurso a agentes de ligação1, o que resulta numa degradação das características magnéticas
relativamente às dos materiais obtidos por sinterização, sendo este processamento limitado a
geometrias regulares (Ferreira, Costa, 2011b). Acresce ainda que, a utilização de ímanes com
formas irregulares aumenta a complexidade construtiva da máquina. Torna-se assim evidente que
o objectivo inicial da redução do custo do material magnético permanente fica comprometido
quando se consideram formas irregulares dos ímanes, pelo que a análise se limita à sucessiva
eliminação de elementos de volume com formas regulares, na direcção circunferencial da
máquina.
Para efeitos de validação da formulação do fluxo totalizado através de (6.49), aquele é também
avaliado através do vector potencial magnético,
.b c
m S ld d B s A l . (6.50)
Os resultados obtidos do fluxo totalizado em vazio por unidade de comprimento radial útil da
máquina de IPFA, para vários coeficientes polares são apresentados na Tabela 6.2. O erro relativo
associado ao fluxo totalizado avaliado através das duas metodologias corrobora o funcional do
fluxo totalizado baseado na geometria dos ímanes.
Finalmente, considerando a superfície dos ímanes para cada coeficiente polar, é calculado o fluxo
totalizado por unidade de volume de material magnético permanente. Os resultados obtidos
sugerem que os coeficientes polares óptimos que maximizam a utilização do material magnético
permanente são da ordem de 0,6. Na sequência deste trabalho, sugere-se a investigação futura
do efeito da variação do coeficiente polar na variação temporal do fluxo totalizado em vazio, de
forma a caracterizar a influência daquele na fem induzida.
1 “Bounded magnets”, na literatura anglo-saxónica.
223
Tabela 6.2: Fluxo totalizado em vazio por unidade de comprimento radial da máquina de IPFA em função do coeficiente polar ( rB 1,06 T, i 2 A).
m 1
.c
m
ld
z z
A l
m
mrS
dsz i
IH
B m
mS m
mV
Wb/m Wb/m % cm2 Wb/m3
1 0,02227 0,02231 0,18 2,5 89,24
0,9 0,02114 0,02117 0,14 2,25 94,01
0,8 0,01901 0,01904 0,16 2 95,1
0,7 0,01671 0,01674 0,18 1,75 95,66
0,6 0,01435 0,01437 0,14 1,5 95,8
0,5 0,01194 0,01196 0,17 1,25 95,68
6.8. RESUMO
Neste capítulo exploraram-se algumas variáveis de projecto da máquina de IPFA através do MEF.
Foram investigadas a distribuição da indução magnética no espaço da máquina assim como a
forma de onda da indução magnética em vazio e a caracterização do seu conteúdo harmónico,
salientando-se naquele os harmónicos de ranhura. A comparação das formas de onda da indução
magnética em vazio e em carga, permitiu validar o efeito menor da reacção do induzido neste tipo
de máquinas eléctricas, consequência do elevado entreferro equivalente que as caracteriza.
A análise dos fluxos de fugas dos ímanes permanentes e do entreferro permitem concluir que a
sua previsão pela metodologia analítica, na configuração da máquina utilizada, caracterizada por
um pequeno entreferro físico e um baixo coeficiente polar, é sobrestimada face aos resultados
obtidos através do MEF.
A determinação das indutâncias, síncronas e de magnetização, segundo as direcções longitudinal
e transversal, foi conduzida através de análises magnetostáticas, tendo sido utilizada uma
metodologia que permite incluir o efeito do nível de saturação do ferro do estator no valor
daquelas. Verificou-se que, nesta configuração da máquina, a influência da saturação é mais
pronunciada segundo eixo transversal, sendo a máquina caracterizada por uma pequena
anisotropia directa.
224
A abordagem bidimensional aqui efectuada não permite caracterizar a indutância de fugas dos
enrolamentos não activos, visto aquela excluir os efeitos limítrofes nos raios interno e externo da
máquina. Na continuidade deste trabalho, pretende-se estender a análise da máquina de IPFA a
3D, de forma a incorporar esses efeitos.
A forma de onda da fem induzida em vazio foi determinada através da variação do fluxo totalizado
no espaço do estator, sendo notória a não atenuação dos harmónicos presentes na indução
magnética em vazio. Isto deve-se à utilização de enrolamentos imbricados concentrados,
caracterizados pelo seu factor de enrolamento unitário.
O binário de ranhura nas máquinas de IPFA assume particular importância quando a configuração
emprega os ímanes na superfície rotórica. Foram apresentados os aspectos essenciais
associados ao binário de ranhura, nomeadamente a caracterização da sua frequência por rotação
da máquina e as principais técnicas de mitigação. Este assunto foi abordado de forma não
exaustiva, recomendando-se o seu aprofundamento em investigações futuras. A importância da
utilização de enrolamentos concentrados fraccionários, já evidenciada no Capítulo 4, é aqui
sobrelevada, no pressuposto que este tipo de enrolamentos, se correctamente dimensionados,
pode contribuir para a redução do binário de ranhura. Foram ainda introduzidas metodologias de
cálculo de binários associadas ao MEF, e posteriormente empregues na previsão dos binário
electromagnético e de ranhura.
Por fim, foi investigada a influência do coeficiente polar no fluxo totalizado da máquina, em vazio,
procurando optimizar o volume de material magnético permanente na máquina, tendo-se
identificado que os coeficientes polares da ordem de 0,6 maximizam a razão entre o fluxo
totalizado e o volume de material magnético permanente. Na sequência deste trabalho, sugere-se
a investigação do efeito do coeficiente polar na fem induzida em vazio.
225
REFERÊNCIAS
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CAPÍTULO 7
IMPLEMENTAÇÃO E EXPERIMENTAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE ÍMANES PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
228
ÍNDICE
7. Implementação e Experimentação de uma Máquina de Ímanes Permanentes de Fluxo Axial
.............................................................................................................................................. 229
7.1. Introdução ............................................................................................................................. 229
7.2. Configuração do Protótipo da Máquina de IPFA .................................................................. 229
7.3. Processo Construtivo ........................................................................................................... 231
7.3.1. Rotor .................................................................................................................................. 232
7.3.2. Estator ................................................................................................................................ 234
7.3.3. Enrolamentos ..................................................................................................................... 236
7.4. Experimentação Laboratorial ............................................................................................... 238
7.4.1. Layout do sistema de experimentação .............................................................................. 238
7.4.2. Resultados experimentais ................................................................................................. 239
7.4.3. Discussão dos resultados .................................................................................................. 242
7.5. Resumo ................................................................................................................................ 245
Referências ..................................................................................................................................... 247
229
7. IMPLEMENTAÇÃO E EXPERIMENTAÇÃO DE UMA
MÁQUINA DE ÍMANES PERMANENTES DE FLUXO AXIAL
7.1. INTRODUÇÃO
Neste capítulo é apresentado o processo de construção de um primeiro protótipo de Ímanes
Permanentes de Fluxo Axial (IPFA) e a sua experimentação laboratorial. O protótipo foi construído
com o objectivo de avaliar a exequibilidade construtiva da configuração axial e providenciar um
suporte físico ao desenvolvimento das metodologias de projecto, embora apresente aspectos
construtivos distintos dos modelados anteriormente, nomeadamente, o volume de material
magnético permanente e a geometria dos ímanes.
Embora a máquina eléctrica construída, devido ao seu carácter de protótipo, seja de potência
reduzida, 387 W a 600 min-1, as decisões do projecto foram tomadas visando a extrapolação da
experiência adquirida para máquinas de potências superiores, orientadas para os micro sistemas
de conversão de energia eólica com accionamento directo e potências na gama de 1 a 5 kW.
Este primeiro protótipo não foi objecto de nenhum processo de optimização e foi implementado
sem o suporte de um projecto mecânico. Todavia, a experiência adquirida na construção e
montagem da máquina permite estabelecer algumas considerações sobre as restrições mecânicas
que devem ser exploradas em projectos ulteriores.
7.2. CONFIGURAÇÃO DO PROTÓTIPO DA MÁQUINA DE IPFA
A configuração adoptada para o protótipo construído obedece à estrutura de duplo entreferro, rotor
interno, na linha do que foi estudado nos capítulos anteriores. A utilização do duplo entreferro
pretende maximizar a utilização dos materiais activos, assim como balancear as forças axiais
devidas à presença dos ímanes e do ferro do estator, exigindo-se, para o efeito, uma simetria
230
cuidada. A configuração com o estator interno foi preterida, pela superior complexidade da fixação
do estator à estrutura da máquina, como antes reportado. Para máquinas de pequena potência, a
estrutura do estator pode ser fixada unicamente à protecção do rolamento, mas essa solução é
pouco fiável para projectos de máquinas de potências consideráveis, no funcionamento a longo
prazo.
As estruturas dos estatores são em ferro, tendo sido adoptada a estrutura ranhurada. A decisão
entre estatores com ou sem ranhuras é complexa, pois as vantagens e desvantagens de cada
uma das opções, em termos das parcelas de perdas envolvidas, dos factores económicos e dos
processos de execução mais ou menos complexos, não se coadunam a uma opção clara
unilateral.
Embora o carácter “protótipo” da máquina infira uma potência nominal baixa, condição na qual a
opção de estatores sem ranhuras seria favorável do ponto de vista económico e de facilidade de
construção, a desejada extrapolação para máquinas de potência razoável obrigou à consideração
de estatores ranhurados, pelas economias que daí resultam em termos de volume de material
magnético permanente e pela robustez estrutural conferida aos enrolamentos.
Quanto ao número de fases, as máquinas trifásicas apresentam uma utilização de materiais
activos, em função da potência, muito favorável, relativamente às alternativas com um número de
fases inferior. Embora se possa arguir uma melhoria na utilização dos materiais com o aumento do
número de fases, essa vantagem é contra balanceada pelo aumento do número de dispositivos
semicondutores de interface, o que aumenta o custo e compromete a fiabilidade do sistema global.
A selecção do número de pólos foi orientada pela aplicação em causa, ou seja, pela baixa
velocidade de accionamento. No caso específico do protótipo aqui descrito, o número de pólos
utilizado foi ajustado durante o projecto preliminar, em função das dimensões do núcleo de ferro.
231
7.3. PROCESSO CONSTRUTIVO
As máquinas de IPFA envolvem estruturas de suporte mais complexas que as suas homólogas,
radiais. Os principais parâmetros do protótipo implementado são listados na Tabela 7.1 e as
propriedades magnéticas dos ímanes permanentes utilizados são apresentadas na Tabela 7.2.
Tabela 7.1: Parâmetros do protótipo da máquina de IPFA implementado.
Parâmetro Valor
Número de pares de pólos p 10
Número de ranhuras por estator Q 60
Número de ranhuras por pólo e por fase q 1
Número de bobinas por estator 60
Número de espiras por bobina 24
Número de espiras por fase e por estator fN 480
Coeficiente polar no diâmetro médio m 0,602
Densidade linear de corrente no raio interno inA 13,4 kA/m
Diâmetro externo do estator outD 18 cm
Raio útil do estator ur 2,15 cm
Comprimento axial do estator el 2,26 cm
Comprimento axial do entreferro por estator g 0,5 mm
Comprimento axial dos ímanes por entreferro ml 0,5 cm
Diâmetro dos ímanes (cilíndricos) 1,5 cm
Volume total de material magnético permanente 35,34 cm3
Tabela 7.2: Propriedades magnéticas dos ímanes permanentes de NdFeB, graduação N30SH.
Propriedade Valor
Indução remanente (20 ºC) rB 1,12 T
Campo coercivo cH 836 kA/m
Campo coercivo intrínseco ciH 1595 kA/m
Permeabilidade relativa de restabelecimento ,r rec 1,05
Resistividade eléctrica m 160 . cm
232
Tabela 7.2: Propriedades magnéticas dos ímanes permanentes de NdFeB, graduação N30SH (continuação).
Propriedade Valor
Temperatura máxima de funcionamento maxT 150 ºC
Temperatura de Curie CT 310 ºC
Coeficiente de temperatura reversível de rB B - 0,12 %/ºC
Coeficiente de temperatura reversível de ciH H - 0,6 %/ºC
Nas secções seguintes descreve-se o processo construtivo do rotor, do estator e dos
enrolamentos, identificando-se as dificuldades estruturais em máquinas de potências superiores.
7.3.1. Rotor
O rotor das máquinas axiais é sujeito a forças magnéticas elevadas que, embora sejam
balanceadas com a utilização da configuração de duplo entreferro, estão presentes na fase da
montagem e dificultam o processo. O disco do rotor deve ter rigidez mecânica suficiente para
suportar essas forças na fase de montagem, sem sofrer uma deflexão excessiva. A deflexão
máxima admissível deve ser uma fracção pequena do comprimento do entreferro.
A fixação dos ímanes ao disco de suporte deve ainda resistir às forças centrífugas a que aquele
estará sujeito. Se a fixação for providenciada por cola, a ligação é também dependente da
temperatura de funcionamento. Nas aplicações de baixas velocidades, as forças centrífugas não
são determinantes, pelo que a estabilidade da fixação por cola, dos ímanes ao disco de suporte, é
ditada essencialmente pela temperatura a que aquele estará sujeito.
As frequências naturais do rotor são inversamente proporcionais ao quadrado do raio externo
(Kelly, 2011). Nas máquinas de IPFA, torna-se necessário garantir que aquelas estejam afastadas
das possíveis frequências induzidas pelos harmónicos na forma de onda da indução magnética,
de forma a evitar vibrações indesejadas.
O protótipo utiliza um disco de suporte dos ímanes em alumínio, que, pela sua baixa densidade,
confere à solução um peso reduzido. O alumínio é ainda facilmente maquinável e tem um
comportamento paramagnético, o que o torna indicado para a aplicação em causa. Um
233
inconveniente da utilização do alumínio no suporte dos ímanes é a sua baixa resistividade
eléctrica, o que permite a circulação de correntes de Foucault induzidas pelos harmónicos que
estejam presentes na forma de onda da indução magnética. Em projectos em que estas correntes
sejam consideráveis (aplicações a elevadas velocidades, e.g.), recomenda-se a adopção de
materiais não condutores, sem com isso comprometer a rigidez estrutural, como, por exemplo, o
MDF1.
O disco de alumínio foi perfurado axialmente de forma a incluir os ímanes, conferindo assim um
suporte físico eficaz na direcção radial. Esta variável de projecto permite ainda manipular um
menor número de peças individuais de ímanes permanentes. Para evitar movimentos axiais dos
ímanes, estes foram colados ao alumínio, durante o processo de inserção. A geometria dos
ímanes adoptada é cilíndrica, com a direcção de magnetização perpendicular às superfícies
circulares.
Por fim, o rotor é aparafusado ao veio da máquina, como se mostra na Figura 7.1. O veio da
máquina foi maquinado a partir de uma peça em aço, na configuração final representada na Figura
7.2. O projecto do veio da máquina inclui os encaixes para os rolamentos aos quais são adaptados
as estruturas de suporte dos estatores.
Figura 7.1: Rotor do protótipo, com os rolamentos posicionados no veio; (a) e (b) pormenores da fixação do rotor ao veio.
1 Medium Density Fiberboard.
234
encaixes dos rolamentos
Figura 7.2: Veio do protótipo.
7.3.2. Estator
A utilização de estatores ranhurados confere à máquina um suporte eficaz para os enrolamentos,
assim como a concentração do fluxo naqueles. O estator do protótipo foi construído reutilizando o
ferro de um auto transformador, disponível nos laboratórios de Máquinas Eléctricas da FEUP, mas
cujas propriedades magnéticas são desconhecidas. O núcleo toroidal do auto transformador é
construído de forma idêntica ao núcleo de ferro bruto do estator da máquina de fluxo axial, ou seja,
utiliza a fita de ferro enrolada numa disposição espiralada, o que providencia as características
geométricas necessárias à aplicação. O ferro originário do auto transformador foi desenrolado e
novamente enrolado, tendo sido devidamente compactado, nas dimensões estabelecidas pelo
projecto do protótipo para os raios interno e externo (Figura 7.3 (a)). O factor de empacotamento
obtido foi de 0,95. A peça de ferro foi posteriormente furada, de acordo com a Figura 7.3 (b), de
forma a criar as ranhuras (Figura 7.3 (c)) e posteriormente cortada, obtendo-se assim os dois
estatores.
(a) (b)
(c)
Figura 7.3: Processo construtivo dos estatores; (a) peça de ferro compactada; (b) e (c) obtenção das ranhuras.
235
O processo de obtenção das ranhuras envolve esforços mecânicos na peça de ferro compactada,
o que impõe uma largura mínima dos dentes no raio interno da máquina. Além do projecto
magnético, as restrições mecânicas também devem ser consideradas no dimensionamento dos
dentes e, nas máquinas de IPFA, estas restrições devem ser observadas no raio interno.
Os dentes do estator não contribuem para a rigidez do núcleo do estator e devem ser
consideradas como massas adicionais.
O dimensionamento da abertura das ranhuras deve ser mínimo, de forma a minorar os efeitos de
ranhura no binário electromagnético, sendo definida em função da secção dos condutores a inserir
nas ranhuras.
Os estatores são fixos à carcaça através de seis parafusos (Figura 7.4 (a) e (b) ) e esta é fixada ao
veio através de rolamentos de esferas (visíveis na Figura 7.1). A carcaça, construída em alumínio,
é aberta na direcção radial da máquina, e cada peça lateral foi rebaixada para receber o estator e
o rolamento (Figura 7.5).
Figura 7.4: Processo de fixação dos estatores à carcaça; (a) tampa e (b) um estator com a furação do sistema de fixação.
236
Figura 7.5: Pormenor do encaixe providenciado na carcaça para ajudar a fixar os estatores.
Uma forma eficaz de criar um sistema de auto-ventilação na máquina de IPFA consiste em utilizar
o movimento do disco rotórico para aumentar a transferência de calor por convecção, assistindo a
circulação do ar através de furos realizados no espaço da carcaça entre os rolamentos e o núcleo
de ferro. Esta variável de projecto é especialmente útil para máquinas de velocidade elevada
(Scowby, et al., 2004).
7.3.3. Enrolamentos
De forma a minimizar a abertura das ranhuras e potenciar o preenchimento daquelas, optou-se
pela utilização de dois fios de cobre em paralelo por espira de cada bobina, com 0,45 mm de
diâmetro nominal e de 0,491 mm de diâmetro máximo, de acordo com a IEC 60317-0-1, para os
condutores de graduação 1 (Heermann, 2010). O factor de preenchimento da ranhura obtido, com
96 condutores por ranhura, foi de 0,41.
O enrolamento foi construído utilizando dois lados de bobinas distintas em cada ranhura, numa
disposição de dupla camada, mas as bobinas que partilham uma ranhura pertencem à mesma
fase, o que equivale, em termos de projecto eléctrico, à utilização de um enrolamento a uma
camada, com 2Q bobinas por estator. Este procedimento permitiu reduzir o comprimento dos
enrolamentos não activos comparativamente à solução de 2Q bobinas por estator em que cada
ranhura é ocupada por um lado da bobina e, em consequência, o comprimento radial da máquina
e as perdas Joule. A Figura 7.6 (a) mostra, em detalhe, a distribuição das bobinas pelas ranhuras.
237
O isolamento entre os condutores dispostos nas ranhuras é limitado ao próprio verniz de
revestimento do fio de cobre, o que é suficiente, tendo em consideração a baixa tensão de
projecto da máquina. O isolamento contra contactos galvânicos entre os condutores e as ranhuras
é realizado através de um filme de poliéster (Figura 7.6 (a)) Este isolamento deve projectar-se
para fora da ranhura, nos raios interno e externo, dado que nos terminais da ranhura existe um
máximo local do campo eléctrico (Pyrhönen, et al., 2008). O material de isolamento galvânico
providencia ainda um canal de entrada na abertura da ranhura, o que facilita a inserção dos
condutores.
Nas partes dos enrolamentos não activos, é também utilizado isolamento adicional entre as fases.
As soldaduras entre bobinas são isoladas através de tubos de lã de vidro, material também
utilizado para amarrar os enrolamentos entre si, nas partes não activas (Figura 7.6 (b)). Os
enrolamentos são posteriormente endurecidos, impregnando-os num verniz, que é seco e
submetido a tratamento de endurecimento em forno.
Figura 7.6: Processo de obtenção dos enrolamentos; (a) disposição dos enrolamentos nas ranhuras e (b) fixação e
isolamento dos enrolamentos não activos.
Os terminais dos enrolamentos são acessíveis a partir da carcaça (Figura 7.7 (a)), para permitir a
ligação das fases em estrela ou em triângulo, a ligação dos dois estatores em série ou em
paralelo, ou, ainda, associar os enrolamentos numa ligação monofásica, embora esta ligação seja
pouco interessante do ponto de vista do valor da fem induzida. A ligação utilizada na
experimentação laboratorial é a série dos estatores, associados em estrela. O protótipo obtido é
apresentado na Figura 7.7.
238
Figura 7.7: Protótipo da máquina de IPFA; (a) terminais dos enrolamentos; (b) vista segundo a direcção axial.
7.4. EXPERIMENTAÇÃO LABORATORIAL
7.4.1. Layout do sistema de experimentação
O layout do sistema de experimentação do protótipo no modo gerador, implementado nos
laboratórios de Máquinas Eléctricas da FEUP, utiliza uma máquina primária de indução trifásica
com ligação Dahlander, 400 V, 50 Hz, 2/1,5 kW, 1445/665 min-1, alimentada através de um
inversor estandardizado, que promove o controle de velocidade. A máquina de accionamento
primário é acoplada ao protótipo através de um transdutor de binário (Vibro-meter, Torquemaster
106), cujos sinais foram adquiridos através de uma placa de condicionamento de sinal. As
grandezas eléctricas do protótipo foram registadas através de um analisador de potência (Norma,
D 5255 M). Foi também utilizado um osciloscópio e um analisador de espectros, de forma a
caracterizar a forma de onda da tensão. A Figura 7.8 apresenta a parte do layout que incorpora o
protótipo.
Para caracterizar o comportamento térmico da máquina, foram utilizados quatro sensores de
temperatura Pt-100. Os valores das temperaturas foram registados num computador via uma
unidade de medida (Keithley 2700). Foram inseridos dois sensores nos núcleos dos dois
estatores, um terceiro na carcaça e, por fim, foi utilizado um sensor entre uma ranhura e os
condutores. Este procedimento foi efectuado numa fase posterior à construção do protótipo, pelo
239
que não foi possível aceder à temperatura dos condutores localizados nas ranhuras e dos
enrolamentos não activos. A temperatura na superfície do disco do rotor foi registada através de
um sensor infravermelho de emissividade ajustável (SKF, TKTL 20).
Figura 7.8: Layout do sistema de experimentação do protótipo.
7.4.2. Resultados experimentais
Os parâmetros eléctricos da máquina foram determinados através das metodologias propostas e
descritas em (Ferreira, 2000), tendo-se obtido R 7 (a 20 ºC) e sd sq sL L L 14,3 mH.
A evolução da fem em vazio com a frequência, representada na Figura 7.9, é, obviamente, linear.
A forma de onda da fem, e o conteúdo harmónico que lhe correspondem, à frequência de 100 Hz,
600 min-1, são apresentados na Figura 7.10.
0102030405060708090
100
0 20 40 60 80 100 120
E
f
Figura 7.9: Valor eficaz da fem induzida em vazio, por fase, em função da frequência.
240
(a) (b)
h
E (V)
Figura 7.10: (a) Forma de onda da fem induzida em vazio a 100 Hz; (b) valores eficazes das componentes harmónicas.
Na Figura 7.11 apresenta-se a evolução das perdas no ferro e das perdas mecânicas com a
frequência, avaliadas com a máquina em vazio.
02468
101214161820
0 20 40 60 80 100 120 f
Fe mecP P
Figura 7.11: Evolução das perdas no ferro e perdas mecânicas com a frequência.
O teste da máquina em carga foi realizado para um factor de potência unitário, admitindo que, em
função da aplicação orientadora do projecto, na qual as grandezas eléctricas do gerador são
geralmente rectificadas e/ou desacopladas da rede, não é essencial uma caracterização para um
factor de potência diferente. Na Figura 7.12 é apresentada a evolução da tensão simples em
função da corrente fornecida, para duas velocidades distintas. A potência eléctrica e o rendimento
do gerador, que lhes correspondem, são apresentadas nas Figura 7.13 e Figura 7.14. O
rendimento máximo registado foi de 87,6%, para a frequência de 100 Hz e intensidade de corrente
de, aproximadamente, 1 A.
241
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
600 rpm
300 rpm
U (V)
I (A)
Figura 7.12: Tensão simples nos terminais da máquina em função da corrente fornecida, com factor de potência unitário.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
600 rpm
300 rpm
P
I
Figura 7.13: Potência fornecida, com factor de potência unitário.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
600 rpm
300 rpm
(%)
I (A)
Figura 7.14: Rendimento medido em função da corrente fornecida.
Para efeitos comparativos das principais parcelas de perdas da máquina, as perdas Joule e as
perdas no ferro, juntamente com as perdas mecânicas, são sobrepostas na Figura 7.15, sendo
evidente o carácter limitativo das perdas Joule na potência eléctrica disponível. Tendo em
consideração a baixa potência do protótipo, desprezam-se as perdas suplementares.
242
Fe mecP P
0102030405060708090
0 0,4 0,8 1,2 1,6 2
JP
I
Figura 7.15: Evolução das perdas Joule (a) e das perdas no ferro e mecânicas com a carga, a 100 Hz (b) e a 50 Hz (c).
Relativamente ao estudo térmico da máquina, os valores experimentais e previstos da
sobrelevação da temperatura são apresentados na Tabela 7.3, correspondendo-lhes uma
intensidade de corrente de 2 A, à frequência de 100 Hz. A temperatura dos enrolamentos foi
determinada experimentalmente através da medida da resistência à temperatura final, como
proposto pela norma IEC 60034 (IEC-60034, 2007).
Tabela 7.3: Resultados teóricos e experimentais da sobrelevação da temperatura.
Sobrelevação da temperatura, K
Elementos da máquina Prevista Experimental
Carcaça 40 34
Núcleos dos estatores 48 39
Dentes dos estatores 46 42
Condutores de cobre 61 56
Disco rotórico 58 52
A rede de resistências térmicas proposta na secção 5.7.2. foi simplificada em função dos
resultados experimentais, tendo sido eliminadas as resistências cuja estimação empírica não
estava devidamente fundamentada, e aglomeradas as potências de perdas injectadas relativas às
perdas no ferro e mecânicas. Da comparação dos resultados, verifica-se uma ligeira sobre
estimação da temperatura através da rede de resistências térmicas, o que sugere que algumas
resistências daquela estejam sobre dimensionadas.
243
7.4.3. Discussão dos resultados
O protótipo construído utiliza ímanes cilíndricos, tendo sido adoptada esta geometria por
obedecerem a uma solução com uma forma e dimensões estandardizadas, além de facilitarem o
processo construtivo, simplificando a sua inserção no disco do rotor, sem, no entanto, se
precaverem algumas consequências abaixo descritas.
A esta geometria dos ímanes corresponde um coeficiente polar variável com o raio da máquina,
não se adequando, portanto, à rotina de projecto desenvolvida, baseada num coeficiente polar
constante. Esta restrição na rotina de projecto foi adoptada para que fosse possível estabelecer
um paralelismo dos resultados progressivamente obtidos a partir do projecto dimensional
preliminar, visto este ser formulado para um coeficiente polar independente do raio da máquina.
Acresce ainda que a indução magnética no entreferro da máquina produzido pelos ímanes com
superfícies circulares diminui em todas as direcções a partir do centro geométrico daquelas, numa
evolução quasi-sinusoidal, como se demonstra utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF)
numa aplicação magnetostática 3D, através da distribuição da indução magnética num plano
correspondente ao entreferro e da forma de onda daquela ao longo de um passo polar no diâmetro
médio da máquina (Figura 7.16 (a) e (b), respectivamente).
B
Figura 7.16: Indução magnética devida aos ímanes com geometria cilíndrica; (a) distribuição da indução magnética num
plano do entreferro da máquina de IPFA; (b) forma de onda da indução magnética ao longo de um passo polar no diâmetro médio da máquina.
Esta particularidade dos ímanes circulares pode ser incorporada na rotina de projecto a 2D,
modelando-os por uma densidade de corrente confinada à superfície do íman com uma
distribuição sinusoidal (Bumby, et al., 2004), sendo esta dependente do coeficiente polar
244
empregue, o que dificulta a interacção com a geometria da máquina, como se pretende nos
moldes do projecto proposto. A análise através do MEF a 3D é capaz de modelar o
comportamento dos ímanes circulares de forma eficaz, e eliminar aproximações que aquela
abordagem acarreta. A prossecução do trabalho aqui realizado deve incorporar a modelação
tridimensional da máquina na rotina de projecto, especialmente em desenhos que introduzam
variáveis como a descrita.
Esta variância entre o projecto desenvolvido e o protótipo implementado, acentuada ainda pela
diferença do volume de material magnético permanente que lhes corresponde, inviabiliza a
validação das grandezas que dependem do fluxo magnético indutor, como a fem induzida em
vazio, quer a sua forma de onda quer o valor eficaz, a potência e o binário desenvolvidos. O
volume dos ímanes permanentes do protótipo é sensivelmente metade do volume do mesmo
material modelado no projecto (61,92 cm3), sendo portanto compreensível que a fem em vazio do
protótipo seja sensivelmente metade da prevista pelo projecto (2 102,6/ 2 = 145,1 V,
correspondente à série dos dois estatores).
No que concerne aos parâmetros eléctricos do estator, e porque existe correspondência entre as
variáveis dimensionais modeladas e as implementadas no protótipo (os enrolamentos, as
dimensões do estator, inclusive as ranhuras, e a densidade de corrente são iguais), as grandezas
resistência eléctrica e indutância síncrona1 e as perdas Joule de projecto e obtidas
experimentalmente são coerentes.
O estudo térmico da máquina permite definir o regime nominal, tendo-se imposto uma
sobrelevação da temperatura da carcaça de 40 K. As elevadas perdas Joule nos enrolamentos
limitam a intensidade de corrente admissível nos condutores. Nos enrolamentos de uma máquina
eléctrica, existem geralmente, máximos locais da temperatura, que podem atingir valores 10 a
20 K superiores à média obtida através da medida da resistência eléctrica (Pyrhönen, et al., 2008).
Estes sobreaquecimentos locais podem reduzir drasticamente o tempo de vida útil da máquina,
1 Admitindo que a permeabilidade do ferro macio modelada no projecto é próxima da do ferro utilizado no protótipo.
245
por redução da integridade dos materiais isolantes, cujo tempo de vida útil diminui
exponencialmente com as sobrelevações da temperatura. Este aspecto foi acautelado no projecto
térmico da máquina, tendo-se limitado a intensidade de corrente à sobrelevação da temperatura
reportada nos resultados previstos. Da agregação dos resultados experimentais electromecânicos
e térmicos, define-se o regime nominal do protótipo, de acordo com os valores das grandezas
apresentados na Tabela 7.4.
Tabela 7.4: Regime nominal do protótipo da máquina de IPFA.
Grandezas nominais Valor
Velocidade Nn 600 min-1
Potência NP 387 W
Tensão NU 112 V
Intensidade de corrente NI 2 A
7.5. RESUMO
A construção de um protótipo na fase preliminar do trabalho, contraria, aparentemente, o objectivo
principal da área de projecto de máquinas eléctricas, que consiste em desenvolver metodologias
que minimizem a construção de protótipos experimentais. A configuração particular da máquina
em análise e o carácter de investigação deste trabalho, constituindo este a primeira abordagem da
autora ao projecto de máquinas eléctricas, levaram a essa necessidade, o que providenciou um
suporte físico ao desenvolvimento das metodologias de projecto e permitiu uma interacção entre
os resultados experimentais e algumas das metodologias de projecto que foram desenvolvidas.
Neste capítulo foi apresentado o processo construtivo do protótipo de IPFA, após algumas
considerações sobre a configuração adoptada. Foram identificados, ainda que de forma não
exaustiva, alguns aspectos mecânicos a ter em consideração em projectos futuros.
A experimentação laboratorial permitiu validar os parâmetros eléctricos e térmicos de projecto. De
forma a validar cabalmente o projecto efectuado, terá de ser construído um novo rotor que cumpra
com as especificações do projecto.
246
A principal limitação das máquinas de IPFA, particularmente das máquinas de pequena potência
e/ou de baixas velocidades, é a elevada parcela de perdas Joule, devidas essencialmente ao
superior comprimento dos enrolamentos não activos. Neste protótipo, a disposição dos
enrolamentos em duas camadas reduziu o comprimento dos condutores não activos relativamente
à disposição de uma camada. O trabalho futuro deve sustentar-se em técnicas de projecto que
apoiem uma maior redução daquelas, como a utilização de enrolamentos concentrados
fraccionários, já identificada em capítulos anteriores.
A definição do regime nominal do protótipo foi realizada por agregação dos resultados
electromecânicos e térmicos da máquina e corrobora as variáveis iniciais de projecto daquele,
estabelecidas no dimensionamento básico.
247
REFERÊNCIAS
Bumby, J. R., et al.; 2004. Electromagnetic Design of Axial-Flux Permanent Magnet Machines. IEE Proceedings - Electric Power Applications. Vol. 151, n.º 2 (March, 2004). pp. 151-160. Ferreira, A. P., "Problemática e Perspectivas da Utilização do Gerador de Ímanes Permanentes na Produção de Energia Eólica", M.Sc., in Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP): Porto, Portugal, 2000. p. 183. Heermann; 2010. Magnet Wire. http://www.heermann-gmbh.de/magnetwire-data.pdf (Cited June, 2010). IEC-60034; 2007. Rotating Electrical Machines - Part 2-1: Standard Methods for Determining Losses and Efficiency from Tests (excluding machines for traction vehicles). Available from http://www.iec.ch/. Kelly, S.G.; 2011. Mechanical Vibrations: Theory and Applications, SI Edition. Cengage Learning. p. 896. Pyrhönen, J.; Jokinen, T.; Hrabovcová, V.; 2008. Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley & Sons. p. 512. Scowby, S. T.; Dobson, R. T.; Kamper, M. J.; 2004. Thermal Modelling of an Axial Flux Permanent Magnet Machine. Applied Thermal Engineering. Vol. 24, n.º 2-3 (February, 2004). pp. 193-207.
CAPÍTULO 8
CONCLUSÃO
250
ÍNDICE
8. Conclusão ............................................................................................................................. 251
8.1. Síntese do Trabalho e Conclusões ...................................................................................... 251
8.2. Prossecução do Trabalho e Desenvolvimentos Futuros ..................................................... 253
251
8. CONCLUSÃO
8.1. SÍNTESE DO TRABALHO E CONCLUSÕES
Neste trabalho foram propostas e examinadas metodologias de projecto das máquinas de Ímanes
Permanentes de Fluxo Axial (IPFA), orientado para os sistemas de conversão de energia eólica.
A tendência actual de evolução dos sistemas de conversão de energia eólica, de velocidade
variável e com accionamento directo do gerador, configura uma aplicação na qual a máquina de
ímanes permanentes na configuração axial apresenta vantagens relativamente às principais
concorrentes de configurações radial e transversal nos micro e mini sistemas eólicos e concorrem
com o gerador de indução em sistemas de potências mais elevadas.
A análise do modo de funcionamento da máquina de IPFA nos modos sinusoidal e quadrilateral
assume particular importância no conceito actual dos produtos eléctricos integrados, em que
aquela é desacoplada da rede. Embora o modo quadrilateral simplifique o controlo da máquina,
demonstrou-se que a densidade de binário da máquina é superior se explorada no modo
sinusoidal. Foram também analisadas as densidades de binário associadas às configurações axial
e radial, tendo-se demonstrado que a densidade de binário da máquina de IPFA, na estrutura com
um entreferro, é superior à da máquina homóloga de fluxo radial em projectos com um número de
pares pólos superior a quatro, quadruplicando em projectos com um número de pares de pólos da
ordem de vinte.
O projecto electromagnético da máquina de IPFA foi introduzido através de um dimensionamento
preliminar básico, que estabelece as relações dimensionais principais, e foi, progressivamente,
refinado através de metodologias analíticas baseadas numa rede de relutâncias variáveis e, com
um maior detalhe, também através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Posteriormente, o
projecto electromagnético conjugou-se com o projecto térmico, resultando deste processo a
252
adequação das fontes de calor ao perfil térmico da máquina. Estabeleceu-se assim uma rotina de
projecto integradora.
Como as principais perdas nas máquinas de IPFA, para aplicações de baixa velocidade, são as
perdas Joule, o projecto térmico dita a densidade de corrente admissível na máquina. A
metodologia de projecto, embora desenvolvida para a estrutura de duplo entreferro, rotor interno, é
extrapolável para outras estruturas.
O recurso a ferramentas baseadas no MEF permite a análise e a simulação da máquina com uma
precisão muito superior às metodologias analíticas, tendo a sua aplicação sido limitada a uma
abordagem bidimensional. Esta análise não permite modelar fenómenos limítrofes nos raios
interno e externo, bem como assimetrias que possam existir por variação do coeficiente polar ao
longo do raio útil da máquina, de forma directa. A modelação destes aspectos de forma integrada
exige uma modelação 3D, para a qual os tempos de preparação e de computação chegam a
decuplicar relativamente à análise 2D, o que, na perspectiva de projecto aqui explorada, em que
se interage com a geometria da máquina de forma global, não foi considerado razoável.
O projecto, quer analítico, quer com recurso ao MEF, foi conduzido numa abordagem
quasi-tridimensional através da utilização de múltiplos planos computacionais na direcção radial da
máquina, o que permite a inclusão de algumas variáveis impostas por essa dimensão, como a
variação da largura dos dentes do estator e consequente avaliação do nível de saturação da
indução magnética.
A influência da saturação do ferro do estator foi incluída na abordagem bidimensional do MEF para
o cálculo das indutâncias, através da sua determinação considerando o nível de saturação do ferro
imposto pelo sistema indutor pois a reacção do induzido destas máquinas é muito fraca. As
abordagens analítica e com recurso ao MEF mostraram-se coerentes na previsão das indutâncias
de magnetização mas, da confrontação dos resultados obtidos para as indutâncias síncronas,
constata-se que as formulações empíricas utilizadas para o cálculo analítico da indutância de
fugas não são eficientes.
253
Os aspectos da qualidade de binário são relevantes em projectos associados a sistemas de
accionamento directo, dado que o sistema de transmissão não absorve flutuações de binário de
forma similar às caixas de velocidades. Neste contexto, a contribuição do binário de ranhura foi
analisado através do método do tensor de tensões de Maxwell, associado ao MEF, verificando-se
que aquele, numa máquina projectada sem o recurso a técnicas de mitigação dos binários
parasitas, atinge uma amplitude considerável.
O projecto assistido pelo MEF foi ainda utilizado para optimizar o volume de material magnético
permanente em função do fluxo totalizado em vazio. O cálculo do fluxo totalizado em função da
geometria dos ímanes permanentes, em vez da abordagem clássica baseada na geometria da
bobina, permite avaliar a contribuição dos elementos de volume dos ímanes e, em consequência,
propor coeficientes polares eficientes, através da eliminação de elementos de volume com uma
contribuição menor para o fluxo totalizado. Para a geometria em análise, verificou-se que a
utilização de um coeficiente polar da ordem de 0,6 maximiza a razão entre o fluxo totalizado e o
volume de material magnético.
Por fim, foi apresentado um protótipo de baixa potência, 387 W, 600 min-1, construído no sentido
de providenciar um suporte ao desenvolvimento das metodologias de projecto. Embora a potência
da máquina de ímanes permanentes de fluxo axial implementada seja reduzida, as decisões de
projecto foram orientadas para os sistemas de conversão de energia eólica, com potências na
gama de 1 a 5 kW. Do processo construtivo foi possível validar a exequibilidade da configuração
axial e a agregação dos resultados experimentais electromecânicos e térmicos, que definem o
regime nominal da máquina, corroboram as variáveis iniciais, definidas no anteprojecto do
protótipo.
8.2. PROSSECUÇÃO DO TRABALHO E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Ao longo da realização deste trabalho, foram identificadas várias áreas de investigação futura,
aqui sumariadas.
254
A utilização de enrolamentos concentrados fraccionários no modo de funcionamento sinusoidal da
máquina de IPFA, incorporando nesta as vantagens inerentes àqueles enrolamentos,
nomeadamente a potencial redução das perdas Joule, estabelece a principal linha de investigação
futura. Concomitantemente, a investigação desse tipo de enrolamentos deve ser direccionada para
a mitigação do binário de ranhura.
Na continuidade do trabalho desenvolvido na modelação térmica da máquina de IPFA, e no
desenvolvimento de projectos ulteriores para aplicações a baixas velocidades, sugere-se a
incorporação de sistemas de convecção forçada, de forma a aumentar a eficiência global do
sistema. Um programa de experimentação orientado para o efeito contribuirá também para a
validação de parâmetros e coeficientes do modelo térmico associado à configuração axial.
A extensão da simulação através do MEF à análise térmica da máquina será útil do ponto de vista
da agregação termo-electromagnética, mas a sua implementação apresenta o mesmo grau de
incerteza que a abordagem analítica na definição dos parâmetros térmicos associados às
interfaces e à convecção. Todavia, a sua utilização pode ser útil na melhor definição de
parâmetros locais, como, por exemplo, na transferência de calor através dos condutores de cobre
alojados nas ranhuras, que podem, depois, ser incorporados numa rede de resistências térmicas
mais detalhada.
A abordagem bidimensional da análise electromagnética através do MEF, útil numa fase de
projecto em que se exige uma grande interacção com a geometria da máquina, deve ser
complementada com uma modelação 3D, de forma a incorporar as assimetrias da máquina e os
aspectos limítrofes associados aos enrolamentos não activos.
A construção de um novo protótipo que dê continuidade a este estudo deve, pois, ser precedida de
uma análise tridimensional através de elementos finitos, permitindo uma validação prévia ou uma
afinação das variáveis apuradas com as metodologias aqui propostas.
Finalmente, e na sequência do trabalho aqui desenvolvido para optimizar os coeficientes polares
da máquina em função do fluxo totalizado em vazio, utilizando as ferramentas e metodologias
255
estabelecidas, deve também dar-se-lhe continuidade avaliando, agora, o efeito dos coeficientes
polares na amplitude e conteúdo harmónico da fem induzida.
Com a contribuição dos elementos aqui identificados, é intenção que a continuação do trabalho
culmine na implementação de um segundo protótipo, orientado para os micro sistemas de
conversão de energia eólica, com uma potência de 1 kW a 300 min-1.
ANEXO A
COEFICIENTE DE CARTER
259
ANEXO A
COEFICIENTE DE CARTER
O coeficiente de Carter permite simplificar a geometria do entreferro nos procedimentos analíticos,
através da consideração do efeito das ranhuras do estator no valor da indução magnética no
entreferro.
Na presença de um estator com ranhuras, a indução magnética é inferior sob a abertura da
ranhura comparativamente à indução obtida na presença de um estator sem ranhuras, o que
dificulta o cálculo analítico da indução magnética média no entreferro da máquina ao longo de um
passo de ranhura.
Segundo o modelo de Carter, o comprimento do entreferro físico, g , é substituído pelo
comprimento de um entreferro superior, Cg , de forma a contabilizar o decréscimo da indução
magnética,
C Cg k g . (A.1)
O coeficiente de Carter, Ck , promove a substituição da indução magnética ao longo de um passo
de ranhura por uma onda quadrada, a que corresponde o mesmo fluxo magnético, de forma a que
a indução seja nula sob a abertura da ranhura equivalente, ,ro eqw , e se mantenha constante fora
desta, ao longo do passo de ranhura (Figura A.1).
260
r
gB
row
r0
,ro eqw
Figura A.1: Distribuição da indução magnética no entreferro ao longo de um passo de ranhura da máquina, para a largura
da abertura da ranhura física, 0rw , e para a largura da abertura da ranhura equivalente, 0,r eqw .
A abertura da ranhura equivalente, sob a qual o fluxo é nulo, é (Pyrhönen, et al., 2008)
,ro eq row w , (A.2)
com
2
12 2tan ln 1
2 2 5ro ro ro
ro ro
w g w w g
g w g w g
. (A.3)
O coeficiente de Carter é então
,
1
1
rC
ror ro eq
r
kww
. (A.4)
A evolução do coeficiente de Carter em função das razões entre a largura da ranhura e o
comprimento do entreferro e entre a largura da ranhura e o passo de ranhura, row g e ro rw
respectivamente, propostas nas equações (A.3) e (A.4), é apresentada na Figura A.2.
261
row
g
ro
r
w
Ck
Figura A.2: Variação do coeficiente de Carter em função das razões entre a largura da ranhura e o comprimento do
entreferro, row g , e entre a largura da ranhura e o passo de ranhura, ro rw .
REFERÊNCIAS
Pyrhönen, J.; Jokinen, T.; Hrabovcová, V.; 2008. Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley & Sons. p. 512.
ANEXO B
FACTOR DE ENROLAMENTO DOS ENROLAMENTOS
IMBRICADOS
265
ANEXO B
FACTOR DE ENROLAMENTO DOS ENROLAMENTOS
IMBRICADOS
A distribuição das bobinas de uma fase em várias ranhuras por pólo conduz a tensões induzidas
em cada bobina, supostas sinusoidais, desfasadas do ângulo eléctrico correspondente ao passo
da ranhura. Considerando um enrolamento com duas bobinas distribuídas por duas ranhuras sob
cada pólo e ligadas em série, a soma fasorial das fem induzidas em cada uma delas conduz a um
valor inferior à soma algébrica das amplitudes individuais de cada uma delas (Figura B.1). Esta
atenuação na fem resultante é avaliada pela razão entre a soma fasorial e a soma algébrica das
fem individuais, que é obviamente extensível à atenuação do conteúdo harmónico, definindo-se
assim o factor de distribuição,
sin2
sin2
r
dhr
qh
kq h
, (B.1)
sendo h a ordem do harmónico.
1aE
2aE
1 2 1 2a a a a E E E E
r
Figura B.1: Efeito da distribuição do enrolamento na fem induzida.
Para um enrolamento com 2 ranhuras por pólo e por fase, o passo da ranhura é 6 radianos
eléctricos o que conduz a valores do factor de distribuição para as várias componentes
harmónicas apresentados na Tabela B.1, sendo evidente a vantagem da utilização deste tipo de
enrolamento na redução da amplitude de algumas componentes harmónicas da fem, com uma
redução pouco significativa da componente fundamental.
266
Tabela B.1: Factor de distribuição para um enrolamento com 2q .
h 1 3 5 7 9 11 13 15
dhk 0,9659 0,7071 0,2588 -0,2588 -0,7071 -0,9659 -0,9659 -0,7071
A utilização de um passo da bobina, b , diferente do passo polar da máquina, introduz um
desfasamento adicional na fem induzida, como se demonstra na Figura B.2. A atenuação da
amplitude das componentes fundamental e harmónicas da fem, resultante da redução do passo da
bobina, é
sin2b
phk h
. (B.2)
aE
a a a a E E E Eb
aE
b
b
a a
Figura B.2: Efeito do encurtamento do passo das bobinas na fem induzida.
A eliminação de um determinado harmónico é conseguida com uma selecção adequada do passo
da bobina, de forma a que o factor de encurtamento do passo, phk , seja nulo. Como exemplo, a
selecção de um passo da bobina 2/3 do passo polar elimina os harmónicos múltiplos de 3 (Tabela
B.2), mas, como consequência, a componente fundamental é também atenuada de 0,866, assim
como todas as outras componentes harmónicas.
Tabela B.2: Factor de passo da bobina para um enrolamento com b 2/3.
h 1 3 5 7 9 11 13 15
phk 0,866 0 -0,866 0,866 0 -0,866 0,866 0
Por fim, a utilização de ranhuras inclinadas de um ângulo inferior ou igual ao passo da ranhura
relativamente ao eixo polar radial da máquina (Figura B.3) é extremamente útil na atenuação de
binários parasitas devido à presença das ranhuras, mas no processo, contribui também para a
267
atenuação das componentes fundamental e harmónicas da fem, avaliada através do factor de
inclinação,
2sin2
s
ss
k
, (B.3)
com s r .
Quando as diferentes técnicas estão simultaneamente presentes na construção das estruturas
estatóricas e na distribuição dos enrolamentos, os factores de distribuição, (B.1), de encurtamento
do passo, (B.2), e de inclinação das ranhuras, (B.3), são contabilizados pelo factor de
enrolamento, whk , que para as componentes fundamental1 e harmónicas é
wh dh ph sk k k k . (B.4)
inr
outr
s
Figura B.3: Inclinação das ranhuras relativamente à direcção polar radial.
BIBLIOGRAFIA
Krishnan, R.; 2010. Permanent Magnet Synchrinous and Brushless DC Motor Drives. CRC Press.
Carvalho, C. C.; 1983. Máquinas Eléctricas II. FEUP. p. 239.
1 A nomenclatura utilizada no texto omite a indicação da ordem h 1, para o factor de enrolamento correspondente à componente fundamental.
ANEXO C
PARÂMETROS E FORMULAÇÃO DOS COEFICIENTES
TÉRMICOS
271
ANEXO C
PARÂMETROS E FORMULAÇÃO DOS COEFICIENTES
TÉRMICOS
As propriedades físicas e térmicas de alguns materiais utilizados em máquinas eléctricas e a
formulação dos coeficientes de transferência de calor abaixo propostos, restringem-se à
formulação necessária para o cálculo das resistências do modelo térmico da máquina de IPFA,
proposto no Capítulo 5. As referências bibliográficas em uso contêm informação extensível à
simulação térmica de outras configurações que envolvam coeficientes que não são aqui
apresentados.
Tabela C.1: Propriedades físicas e térmicas de materiais seleccionados, relevantes em máquinas eléctricas. d massa
volúmica; th condutividade térmica; pc capacidade específica de calor; viscosidade dinâmica; d viscosidade
cinemática; th pdc difusividade térmica; th emissividade; p thPr c número de Prandtl (Incropera, et al., 2007;
Pyrhönen, et al., 2008).
Material d
kg/m3
th
W/(m.K)
pc
J/(kg.K)
107
Pa.s
106
m2/s
106
m2/s
th
(300 K) Pr
Ar
300 K 1,1614 0,0263 1007 184,6 15,89 22.5 0,707
350 K 0,9950 0.0300 1009 208.2 20,92 29,9 0,700
400 K 0,8711 0.0338 1014 230.1 26,41 38,3 0,690
Resina epoxi 1400 0,5 0,85
Teflon 0,2 0,85
Cobre 8950 394 0,025
Alumínio 2700 237 903 0,04
Ferro laminado de silício 7700 0,3
Direcção da laminação 22-40
Direcção normal à laminação 0,6
NdFeB (revestido) 7600-7700 9 420 0,03
Cola para fixação dos ímanes 0,34
272
Tabela C.2: Comprimentos equivalentes de interfaces, eql , e coeficientes de transferência de calor por contacto, ,th uh , entre
materiais em máquinas eléctricas (Pyrhönen, et al., 2008).
Interface eql
mm
,th uh
W/(m2.K)
Ranhura - dente 0,1 - 0,3 80 - 250
Núcleo do estator - carcaça (alumínio) 0,03 - 0,04 650 - 870
Núcleo do estator - carcaça (ferro fundido) 0,05 - 0,08 350 - 550
Tabela C.3: Coeficientes médios de transferência de calor por convecção, ,th vh . Ra número de Rayleigh; g aceleração da
gravidade (m/s2); coeficiente térmico de expansão volumétrica (K-1); fT temperatura da película (K); sT temperatura da
superfície (K); T temperatura quiescente (K); Nu número de Nusselt médio; L comprimento característico (m); DRe
número de Reynolds na periferia do disco; Re número de Reynolds rotacional; r velocidade angular de rotação (rad/s);
outr raio externo (m); G razão entre o comprimento do entreferro, g , e o raio externo; as designações das resistências
térmicas correspondem às utilizadas em 5.7.2..
Resistência térmica
Número de Nusselt médio ,th vh
W/(m2.K)
Convecção natural numa superfície vertical, sujeita à restrição da superfície ser isotérmica (Incropera, et al., 2007)
vfaR
3sg T T L
Ra
1
2s
f
T TT
(K)
Fluxo laminar 4 910 10Ra
1 4
4 99 16
0,6700,68
1 0,492 /
RaNu
Pr
th NuL
Fluxo turbulento 9 1310 10Ra
2
1 6
8 279 16
0,3870,825
1 0,492 /
RaNu
Pr
Convecção natural num cilindro rotativo, assumindo distribuição uniforme da temperatura no mesmo (Gieras, et al., 2004)
vraR 2
out4rD
rRe
2/3 1 30,133 DNu Re Pr out2th Nu
r
Convecção natural no sistema rotor - estator aberto; as restrições em G e Re implicam um regime laminar, em que os efeitos da viscosidade são preponderantes (Pellé, Harmand, 2007)
vgrR
vgmR
vtgR (*)
outG g r
2outrrRe
0,05G
51,82 10Re 140 0,02271,5 1 GNu e Re
out
th Nur
Convecção natural nos enrolamentos não activos (Boglietti, et al., 2008; Staton, et al., 2005); estimativa com elevado grau de imprecisão
voaR
vigR 41,4
273
(*) Embora não seja absolutamente verdade que o coeficiente de transferência de calor do estator
para o entreferro seja igual ao do entreferro para o disco rotórico, em simulações térmicas pode-se
assumir que são iguais (Gieras, et al., 2004).
REFERÊNCIAS
Boglietti, A.; Cavagnino, A.; Staton, D.; 2008. Determination of Critical Parameters in Electrical Machine Thermal Models. IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 44, n.º 4 (July-August 2008). pp. 1150-1159. Gieras, J. F.; Wang, R.-J.; Kamper, M. J.; 2004. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines. Kluwer Academic Publishers. p. 340. Incropera, F. P., et al.; 2007. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th Edition. John Wiley & Sons. p. 997. Pellé, J.; Harmand, S.; 2007. Heat Transfer Measurements in an Opened Rotor-Stator System Air-Gap. Experimental Thermal and Fluid Science. Vol. 31, n.º 3 (January, 2007). pp. 165-180. Pyrhönen, J.; Jokinen, T.; Hrabovcová, V.; 2008. Design of Rotating Electrical Machines. John Wiley & Sons. p. 512. Staton, D.; Boglietti, A.; Cavagnino, A.; 2005. Solving the More Difficult Aspects of Electric Motor Thermal Analysis in Small and Medium Size Industrial Induction Motors. IEEE Transactions on Energy Conversion. Vol. 20, n.º 3 (September, 2005). pp. 620-628.
ANEXO D
EQUAÇÕES DE MAXWELL
277
ANEXO D
EQUAÇÕES DE MAXWELL
A formulação do fenómeno electromagnético estabelecida por vários cientistas antes de Maxwell,
tais como Ampère, Gauss, Faraday, Lenz, entre outros, possuía uma incompatibilidade que
Maxwell resolveu, em 1862, ao introduzir um termo adicional à lei de Ampère, e que permitiu
sintetizar a interacção entre matéria e o comportamento de campos electromagnéticos.
Para campos variáveis no tempo, as equações de Maxwell, na forma diferencial, são
t
D
H J , (D.1)
t
B
E , (D.2)
D , (D.3)
0 B . (D.4)
As equações (D.1) e (D.2) são também referidas como a lei de Maxwell-Ampère e a lei de
Faraday, respectivamente. As equações (D.3) e (D.4) são as duas formas da lei de Gauss, a forma
eléctrica e magnética, respectivamente.
Outra relação fundamental, obtida de (D.1) e (D.3)1, é a equação da continuidade eléctrica, que
traduz o princípio da conservação da carga eléctrica, expressa por
t
J . (D.5)
Nas equações anteriores, H é o vector campo magnético, J é o vector densidade de corrente
eléctrica, D é o vector deslocamento eléctrico, E é o vector campo eléctrico, B é o vector
1 t t t
DH J J D J
278
indução magnética, é a densidade volúmica de carga eléctrica e é o operador diferencial
que, em coordenadas cartesianas, é definido por , ,x y z .
Das equações (D.1) a (D.5), só três são independentes, pois as duas primeiras equações
combinadas com uma das formas da lei de Gauss ou com a equação da continuidade eléctrica
formam um sistema independente. As equações independentes adicionais são fornecidas pelas
relações constitutivas, que especificam as propriedades macroscópicas do meio,
0 D E P , (D.6)
0 B H M e (D.7)
J E , (D.8)
em que 0 é a permitividade do vazio, 0 é a permeabilidade do vazio e a condutividade
eléctrica. No sistema SI, a permeabilidade do vazio é 4 10-7 H/m, que se relaciona com a
permitividade através da velocidade electromagnética de uma onda no vazio, 0c , através da
relação 20 0 01 c 8,854 10-12 F/m.
O vector polarização eléctrica, P , representa o momento bipolar eléctrico induzido por unidade de
volume. De forma similar, o vector magnetização, M , representa o momento bipolar magnético
induzido por unidade de volume. Para materiais lineares, a polarização e a magnetização são
directamente proporcionais ao campo eléctrico e magnético, respectivamente, ou seja, 0 e P E
e mM H , onde e é a susceptibilidade eléctrica e m é a susceptibilidade magnética. A
descrição destes fenómenos em termos de momentos bipolares induzidos é apenas rigorosa no
caso de campos estáticos. A hipótese da estacionaridade implica uma separação completa dos
efeitos eléctricos e magnéticos. Nestes pressupostos, as equações constitutivas (D.6) e (D.7)
podem ser escritas na forma
0 01 e r D E = E E , (D.9)
279
0 01 m r B H = H H , (D.10)
sendo r e r a permitividade e a permeabilidade relativas do material, e e a permitividade
e a permeabilidade absolutas do material, respectivamente.
Em materiais lineares, homogéneos e isotrópicos, a permitividade, a permeabilidade e a
condutividade eléctrica são valores escalares únicos; para materiais não lineares, aqueles
parâmetros são função dos campos eléctrico ou magnético, ou seja, E , H e E , e,
para materiais não homogéneos e/ou anisotrópicos, os parâmetros têm que ser expressos sob a
forma tensorial.
Na forma generalizada, as relações constitutivas assumem a forma
rD E + D , (D.11)
rB H B e (D.12)
eJ E + J , (D.13)
em que rD é o deslocamento eléctrico residual, ou seja, o deslocamento eléctrico quando não
está presente um campo eléctrico, rB é a indução magnética remanente, a indução magnética na
ausência de um campo magnético, e eJ é a densidade de corrente externa.
D.1. FUNÇÕES POTENCIAL
As quatro equações de Maxwell de primeira ordem não independentes, (D.1) a (D.4), podem ser
formuladas através de duas equações independentes de segunda ordem recorrendo a uma
mudança de variáveis, para o vector potencial magnético, A , e o potencial escalar eléctrico, V ,
definidos por
B A e (D.14)
280
Vt
A
E . (D.15)
A equação (D.14) é uma consequência directa da lei de Gauss magnética1 e a equação (D.15)
resulta da lei de Faraday2. Substituindo estas nas restantes equações de Maxwell, ou seja, na lei
de Maxwell-Ampère e na lei de Gauss eléctrica, e recorrendo às relações constitutivas, obtém-se
22
2-
V
t t
AA A J e (D.16)
2Vt
A
. (D.17)
De acordo com o teorema de Helmholtz, o vector potencial magnético é univocamente definido se
forem especificados o seu rotacional e o seu divergente. O primeiro é definido por (D.14) e o
segundo é imposto pela normalização de Lorentz (Plonus, 1986),
V
t
A . (D.18)
Substituindo a normalização de Lorentz nas equações (D.16) e (D.17), obtêm-se as equações
diferenciais de segunda ordem, que traduzem as equações de Maxwell, formuladas para os
potenciais,
22
2-
t
AA J e (D.19)
22
2
VV
t
. (D.20)
As soluções das equações anteriores são familiares, e dadas por
,,
4 V
t ct dv
J r' r r'
A rr r'
e (D.21)
1 O campo solenoidal B pode ser expresso como o rotacional de um campo vectorial A . 2 O campo irrotacional t E A pode ser expresso como o gradiente de uma função escalar V .
281
,,
4 V
t cV t dv
r' r r'
rr r'
, (D.22)
onde ,tA r e ,V tr são os potenciais retardados e 1c é a velocidade da onda
electromagnética no meio em questão. Prova-se que ,tA r e ,V tr satisfazem a normalização
de Lorentz desde que J e satisfaçam a equação da continuidade eléctrica (Furlani, 2001).
A solução das equações de Maxwell pode então ser obtida pela resolução das equações (D.21) e
(D.22), depois de definidas as fontes, J e . No conhecimento dos potenciais magnético e
eléctrico, os campos vectoriais indução magnética e eléctrico são obtidos através de (D.14) e
(D.15), respectivamente.
D.2. A APROXIMAÇÃO QUASI-ESTACIONÁRIA
Uma consequência das equações de Maxwell é que as variações no tempo dos campos eléctrico
e magnético não estão sincronizadas com as variações no tempo das fontes (variações nas
correntes ou cargas), reflectindo a velocidade de propagação finita das ondas electromagnéticas.
Se a frequência de variação das fontes for de tal modo baixa que a variação da densidade
volúmica de carga no tempo é desprezável face à divergência do vector densidade de corrente
eléctrica, considera-se que, para essa frequência, não existem correntes de deslocamento
(Cheng, 1991); ignora-se a velocidade de propagação finita e assume-se que uma variação nos
campos é sentida simultaneamente em toda a dimensão da geometria em análise.
Esta aproximação, denominada de aproximação quasi-estacionária, aplica-se a campos
electromagnéticos cujo comprimento de onda, 0c f , seja elevado relativamente às dimensões
das geometrias envolvidas. Admite-se que a aproximação quasi-estacionária é válida para
problemas cuja razão entre a maior distância entre dois pontos da geometria e o comprimento de
onda é menor ou igual a 0,1 (Furlani, 2001).
282
A aproximação quasi-estacionária implica, do ponto de vista matemático, que o termo t D pode
ser ignorado na lei de Maxwell-Ampère, com consequências na equação da continuidade eléctrica,
ou seja,
H J e (D.23)
0 J . (D.24)
De forma análoga à apresentada anteriormente, as equações de Maxwell na formulação quasi-
-estacionária, podem ser reescritas em função dos potenciais A e V , obtendo-se
2 - A A J e (D.25)
2Vt
A
. (D.26)
Impondo a normalização de Coulomb, 0 A (Plonus, 1986), obtém-se, finalmente
2 A J e (D.27)
2V
. (D.28)
D.3. A APROXIMAÇÃO ESTACIONÁRIA
As teorias electro e magnetostáticas, aparentemente restritivas, são aplicáveis a uma gama
variável de fenómenos físicos, dos quais se destacam, no âmbito deste trabalho, as estruturas
com ímanes permanentes, através da teoria magnetostática. Em sistemas estacionários, os
termos das equações de Maxwell dependentes do tempo são desprezados, ou seja, considera-se
que as variações temporais dos campos são suficientemente lentas para que se possam
desprezar as contribuições das correntes de deslocamento e das correntes induzidas, ou seja
0t t
D B
. (D.29)
283
Nesta situação, as equações de Maxwell formam dois sistemas desacoplados, o sistema
magnetostático e o sistema electrostático, caracterizados por,
0
H J
B e (D.30)
0
E
D, (D.31)
respectivamente, que, juntamente com as equações constitutivas respectivas, podem ser
resolvidas de forma independente para os campos magnético e eléctrico.
A formulação dos sistemas magnetostáticos e electrostáticos em função dos potenciais, conduz a
expressões similares a (D.27) e (D.28), respectivamente, com a subjacente invariância no tempo
das fontes.
REFERÊNCIAS
Cheng, D. K.; 1991. Field and Wave Electromagnetics, 2nd Edition. Addison-Wesley. p. 71. Furlani, E. P.; 2001. Permanent Magnet and Electromechanical Devices. Academic Press. p. 518. Plonus, M. A.; 1986. Applied Electromagnetics, 4th Edition. McGraw-Hill. p. 613.
